研究人員利用微量銦元素改變層狀晶體的對稱性，從而解鎖了其拓?fù)涮匦院统瑢?dǎo)特性。

隨著全球?qū)Ω煊嬎隳芰涂沙掷m(xù)能源解決方案的需求不斷增長，對強大且節(jié)能的電子設(shè)備的需求變得愈發(fā)迫切。

從智能手機、數(shù)據(jù)中心到電動汽車和下一代量子系統(tǒng)，支撐我們?nèi)粘Ｉ畹募夹g(shù)消耗著巨大的能源。如何在不犧牲性能的前提下減少這種能源消耗，是研究人員們競相解決的挑戰(zhàn)。

萊斯大學(xué)（Rice University）的物理學(xué)家們現(xiàn)在朝著這個方向邁出了重要一步。由 Ming Yi（易明）和 Emilia Morosan 領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊開發(fā)了一種具有獨特電子特性的新型量子材料，這種材料有望催生超高效率的電子系統(tǒng)。這種材料被稱為克拉默斯節(jié)線金屬（Kramers nodal line metal），是通過精確的化學(xué)變化對其原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)而創(chuàng)造出來的。

物理學(xué)與天文學(xué)副教授易明表示：“我們的工作為發(fā)現(xiàn)和設(shè)計具有未來電子學(xué)所需特性的新型量子材料提供了一條清晰的路徑。”

通過改變對稱性解鎖新行為

萊斯大學(xué)團隊通過將微量的銦（indium）引入層狀化合物二硫化鉭（TaS?）中來設(shè)計這種材料。這一微小的調(diào)整引發(fā)了晶體對稱性的變化，從而產(chǎn)生了高度不尋常的電子行為。

關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是一種罕見的電子流動模式，稱為克拉默斯節(jié)線行為（Kramers nodal line behavior）。在改造后的結(jié)構(gòu)中，具有相反自旋方向的電子沿著動量空間（momentum space）中的不同路徑移動，類似于汽車在分隔的高速公路上朝相反方向行駛。這些路徑在到達(dá)節(jié)線（nodal line）之前始終保持分離。節(jié)線是一種受保護(hù)的狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)不尋常的傳導(dǎo)特性。

同時擔(dān)任電氣與計算機工程、化學(xué)教授以及萊斯量子材料中心主任的 Emilia Morosan 說：“設(shè)計一種材料以滿足這些特殊特性所需的嚴(yán)格對稱性條件具有挑戰(zhàn)性，但結(jié)果是值得的。”

一種抵抗能量損失的材料

除了其拓?fù)涮匦酝猓@種新材料還表現(xiàn)出超導(dǎo)特性，使其能夠在無能量損失的情況下傳輸電流。這種罕見的雙重行為 —— 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合超導(dǎo)性 —— 使該材料成為拓?fù)涑瑢?dǎo)體（topological superconductor）的有力候選者。此類系統(tǒng)有望實現(xiàn)更穩(wěn)定的量子計算平臺并提高電力傳輸效率。

研究人員調(diào)整了不同的成分比例以優(yōu)化材料的性能。他們的目標(biāo)是通過精確的化學(xué)設(shè)計同時增強其結(jié)構(gòu)特性和量子特性。

連接理論與實驗，推動未來突破

為了驗證實驗結(jié)果，研究團隊采用了第一性原理理論計算（first-principles theoretical calculations）。模型計算結(jié)果與實驗室數(shù)據(jù)高度吻合，證實了該材料的電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并強化了研究結(jié)果。

通過發(fā)現(xiàn)并調(diào)整這種新型克拉默斯節(jié)線金屬，研究人員不僅增進(jìn)了對量子材料的理解，也朝著開發(fā)下一代節(jié)能技術(shù)更近了一步。

該研究的共同作者、斯莫利-柯爾研究所（Smalley-Curl Institute）所長 Junichiro Kono 表示：“這項開創(chuàng)性的工作體現(xiàn)了定義斯莫利-柯爾研究所的創(chuàng)新精神。它推進(jìn)了我們的使命，即促進(jìn)跨多個學(xué)科的協(xié)作，將物理學(xué)、材料科學(xué)與工程學(xué)結(jié)合起來，探索物質(zhì)中新的量子行為。”

共同第一作者、博士生 Yuxiang Gao（高宇翔）補充道：“仍有許多值得探索之處，我們對這種新材料所展現(xiàn)的未來可能性感到興奮。”

這項研究發(fā)表在《自然·通訊》期刊上。

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