不同寻常的半金属显示出独特的表面传导状态的证据

东京理工大学的科学家通过对拓扑半金属(TSM)薄膜样品的电压扫描，验证了位于导体和绝缘体边界的拓扑半金属(TSM)中存在一种奇怪的表面导电状态。这些发现可以为将来研究和利用这种传导状态实现新的量子输运现象铺平道路。

我们大家可能都熟悉导体和绝缘体的概念。但是你怎么称呼一种表面导电但内部绝缘的材料呢？物理学家称之为“拓扑绝缘体”(TI)，突出了其奇异导电行为的几何方面。比TI更奇怪的是拓扑半金属(TSM)，是跨越金属(导体)和绝缘体边界的怪异材料。

尽管TI因其非凡的性能，特别是在先进的光电设备中，得到了实际应用，但TSM在很大程度上仍然是材料科学家的好奇心。“在TI中，表面传导状态可以从整体绝缘状态中分离出来，而在典型的TSM中，如Dirac和Weyl半金属，主体和表面状态会在一个叫做Weyl节点的点接触，这将导致它们之间的相互作用，”东京理工大学的Masaki Uchida副教授解释说，他的研究重点是拓扑材料。

根据理论预测，这种相互作用的有趣结果是，在TSM相反表面的磁场作用下，一对电子“Weyl轨道”的形成将导致新的2D量子传输。然而，到目前为止，由于缺乏独特的特征，韦勒轨道的实验验证仍然具有挑战性。现在，由内田博士领导的科学家团队进行的一项新研究可能会改变这一切。

这项研究发表于《自然通讯》年，主要关注韦尔轨道的独特空间分布。具体来说，科学家们绘制了在施加到包含75纳米厚(Cd 1-x Zn)膜的TSM样品的顶面和底面的电压影响下Weyl轨道的“量子霍尔”(QH)状态。X)3为2。内田博士说：“区分Weyl轨道和TI类轨道的关键观察是表面传输对双门器件配置中施加的电场的响应。”

科学家们首先研究了薄膜电阻在3k(270c)和零栅极电压下的磁场依赖性，并确保薄膜足够厚以形成Weyl轨道。最初，由于高电子密度，体输运占主导地位。然而，随着科学家通过施加栅极电压耗尽电子，表面输运及其向QH态的演化变得更加突出。

接下来，科学家们研究了在强磁场存在的情况下，门控电压扫描对这些QH态的影响，并观察到由于其电子密度的调制，在映射态出现了特殊的条纹图案，表明存在耦合的Weyl轨道对！

这个发现让研究团队非常兴奋。内田博士激动地总结道：“我们的工作揭示了量子传输中Weyl轨道的独特分布，可以为发现TSM中各种奇怪的表面传输现象，并通过外场和界面工程加以控制打开大门。”

对这些新颖的量子现象的探索正在进行中，令人兴奋的新发现就在眼前。