“绝缘又导电”的Weyl半金属

图为扫描隧道电子显微镜下的Weyl半金属表面电子的三维图像。

材料牛注：近来，普林斯顿大学的研究人员在新晶体中发现了一种奇特的现象，与大多数材料电子从表面转移不同，在这些新材料中，电子会进入晶体的深处并通过特殊的导电通道来通行，这一现象很可能会是未来电子技术的关键所在。

1909届的物理学教授Ali Yazdani和他的同事在研究一种由层状钽和砷构成的晶体中的电子时，发现了奇怪的现象。一种名为Weyl的半金属同时表现出了金属和绝缘体的性质，即传导电子和阻碍电子运动的特性。他们将这项研究发表在Science上。

Yazdani说：“这些电子运动就像兔子进洞一样，从这边进去，另一边出来，你找不到第二种有类似特性的材料。”Yazdani团队的实验结果表明，只有以特定速度和方向运动（称为Weyl动量）的表面电子才能进入晶体的内部。Yazdani说，“就好像有个电子在表面上单独运动，当它达到那个特定的动量时，它就进入晶体内部然后从另一面出来。” 这个特殊的动量也称为Weyl点，可以被认为是电子进入内部的门户。其中，该理论认为这个点是成对出现的，以致离开的电子将能通过另一个伴随点回来。

该小组决定开展有关这些电子行为的后续研究，结果分别由普林斯顿大学另外两个独立的团队于去年发表在Science上，这一结果揭示出在Weyl半金属中的电子是很不寻常的。例如，他们的实验显示，大多数材料表面的电子会产生波纹图案，类似于石头扔进池塘出现的那种扩散环纹路，但是这种新晶体材料表面的电子流图案却只有半个圈，大家称其为“费米弧”。

为了获取更加直观的Weyl半金属的电子流图案，Yazdani实验室的研究员Hiroyuki Inoue和András Gyenis在研究生Seong Woo Oh的帮助下，借助了能观察晶体表面电子波的扫描隧道显微镜。但是结果令人费解。Yazdani说，“一些我们期望看到的干扰图案都消失了。”

为了帮助解释这种现象，Yazdani咨询了拓扑材料领域的专家，普林斯顿大学物理学副教授B. Andrei Bernevig，他的团队2015年发表在Physical Review上的论文，首次预言了Weyl半金属。 Bernevig认为如果这些不寻常的材料中确实有大量电子进入晶体内部，那么观察到的图案是很有意义的。他说，“没有人曾预言在扫描隧道显微镜中会存在这种类型的电子运动信息，所以它的出现是出乎人意料的。下一步，就需要在其他晶体中寻找类似的现象了。”

原文参考地址：Down the rabbit hole: How electrons travel through exotic new material.

感谢材料人编辑部杜征峥提供素材