这是反铁磁材料单晶上的x射线衍射。科学家发现，这种物质表现出极大的反常霍尔效应，这是其拓扑特征的一个标志。图片:阿贡国家实验室
阿贡大学的科学家们发现了一种新的拓扑材料，这种材料是通过将过渡金属原子插入一种著名的二维材料的原子晶格中而制成的。
近年来，科学家们对一种新型材料产生了兴趣，这种材料表现出一种不同寻常的分裂行为。这些被称为拓扑材料的结构在其表面表现出不同于其体积的特性。这种行为引起了对新物质状态感兴趣的科学家的注意，也引起了对电子和自旋电子应用感兴趣的技术专家的注意。
美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)进行的一项新研究中，科学家们发现了一种新的拓扑材料，这种材料是通过将过渡金属原子插入著名的二维材料——双硒化铌(NbS2)的原子晶格中制成的。他们发现，一种反铁磁材料CoNb3S6具有极大的异常霍尔效应，这是材料拓扑性质的标志。
普通的霍尔效应发生在所有的导体中。这种效应本质上是电子在穿过磁场时所受到的一种力。“在每一种金属中，电子都会垂直于它们的运动方向，垂直于外加磁场，从而产生电压，”乔治梅森大学(George Mason University)助理教授尼玛拉尔吉迈(Nirmal Ghimire)说。“如果材料本身是铁磁体，额外的贡献叠加在普通霍尔电压上;这被称为反常霍尔效应(AHE)。
在这项研究中，吉迈和他的同事们观察了CoNb3S6，发现了一些意想不到的东西:在适度的磁场中有一个大的AHE。Ghimire说:“在电子结构具有拓扑特征的材料中也发现了AHE。”“晶格中的原子结构在材料中创造了对称性，从而产生了电子所居住的拓扑带能区域。”正是这些带，在某些构型下，会导致异常大的AHE。
基于计算和测量，Ghimire和他的同事们建议CoNb3S6包含了这些拓扑带。
“拓扑特性源于材料的对称性,以及正确的电子浓度在费米能级将这些拓扑特性,这是可用的电子能态在零温度最高,”约翰·米切尔指出临时主任阿贡的材料科学部门,该研究的作者之一。
米切尔说:“到目前为止，只有少数材料在费米能级附近具有必要的拓扑点。”“要想找到更多，需要对材料的物理和化学都有所了解。”
米切尔说，这一发现可能为未来在广泛材料领域的进展铺平道路。他说:“我们现在有了一个设计规则，可以用来制作能展示这些特性的材料。”“CoNb3S6是一种大型的分层二维材料，因此这可能会打开通往一个新的拓扑物质的大空间的大门。”
（本文英文来源：阿贡国家实验室）