一种被称为“戈薇”图案的日本网篮图形已经让科学家潜心研究很久。戈薇篮子通常是用竹条编织成的一种非常对称的交错的角共享三角形。

如果一个金属或其他导电材料在原子尺度上看起来像这样的戈薇样式，每个原子排列成类似的三角形图案，那么理论上它应该显示罕见的电子属性。

麻省理工学院、哈佛大学和劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家在《自然》杂志上发表文章称，他们首次开发出了一种“戈薇”金属——由锡和铁原子层组成的导电晶体，每个原子层都是由一种可重复的戈薇状晶格构成的。

当电流通过晶体内的戈薇层传递时，研究人员发现，原子的三角形排列会在传递电流中诱发奇异的量子状行为。电子不是直接穿过晶格，而是在晶格内突然转向或弯曲。

这种行为是所谓的量子霍尔效应的三维状态。其中，通过二维材料流动的电子将会呈现一个手性的拓扑状态。在这个状态下，它们会弯曲成紧密的、圆形的路径，沿着边缘流动而且不会损失任何能量。

“通过构建具有固有磁性的戈薇铁网络，这种奇异的行为会持续到室温和更高的温度。” 麻省理工学院的助理物理教授Joseph Checkelsky说，“晶体中的电荷不仅能感受到来自这些原子的磁场，而且还能感受到来自晶格的纯量子力学磁力。在未来的材料中，这可能会导致完美的电传导，类似于超导性。”

为了研究这些发现，研究小组使用了由赫兹首次发现、爱因斯坦阐明的光电效应的一种高级版本，来测量晶体内的能量谱。

“从根本上说，电子首先从材料表面喷射出来，然后以起飞角和动能的函数形式被检测。” 麻省理工学院的助理物理教授Riccardo Comin说，“图像结果是电子能级被电子占据的非常直白的快照，在这种情况下，他们揭示了几乎无质量的狄拉克粒子的产生。这是一种带电的光子，即光量子。”

该光谱揭示了电子在晶体中流动的方式，表明最初无质量的电子获得了相对论质量，类似于称为大型狄拉克费米子的粒子。从理论上讲，这是由晶格中的铁原子和锡原子的存在所导致的。前者具有磁性和手性。后者拥有较大的核电荷，形成一个大型的局部电场。当外电流流过时，它会以磁场的形式感应到锡的电场，从而产生偏离。

研究团队由Checkelsky和Comin指导，以及研究生Linda Ye和Min Gu Kang与比登哈恩物理学副教授Liang Fu和博士后Junwei Liu合作。这个团队还包括了Christina Wicker ’17、麻省理工学院的研究科学家Takehito Suzuki，Felix von Cube和哈佛大学的David Bell，Chris Jozwiak，Aaron Bostwick，以及劳伦斯·伯克利国家实验室的Eli Rotenberg。

不需要炼金术

多年来，物理学家们已经建立了理论，认为电子材料可以利用其固有的磁性特征和晶格几何来辅助奇异的量子霍尔行为。直到几年前科学家才在鉴别这种材料方面取得了进展。

“科学界意识到，可以用磁性物质构成系统，然后系统固有的磁性可能会驱使这种行为。” 此时正在东京大学进行研究的Checkelsky说。这就不需要实验室产生的磁场了。正常情况下为了观察这一现象所需的实验室磁场是地球磁场的100万倍。

“一些研究小组能够以这种方式诱导量子霍尔效应，但仍在绝对零度以上几度的极端温度下。这是将磁场硬塞进正常情况下不会发生这种现象的材料中。”Checkelsky说。

在麻省理工学院，Checkelsky转而寻求用内在磁力驱动这种行为的方法。由Evelyn Tang博士和Xiao-Gang Wen教授的博士工作所激发的一个重要的见解，就是在戈薇点中追求这种行为。为了实现这一目标，首先将锡和铁混合在一起，然后在熔炉中加热得到的粉末，在大约750摄氏度的温度下形成晶体，在这种温度下，锡和铁原子以一种类似于戈薇形状来排列。然后她将晶体浸入一个冰浴中，使晶格结构在室温下保持稳定。

“戈薇形状有很大的空隙，可能很容易手工编织，但在晶体中是不稳定的，它们更喜欢最好的原子填充物。这里的诀窍是在一个至少在高温下稳定的结构中用第二种原子填充空隙。实现这些量子材料并不需要炼金术，而是材料科学和耐心。” Ye说。

向零损耗迈进

在研究人员成功地培育出了数个直径约为1毫米的晶体样品后，他们把样品交给了哈佛的同事，用透射电子显微镜对每个晶体中的各个原子层进行了成像。由此产生的图像显示，在每一层中，锡和铁原子的排列看起来就像戈薇晶格中的三角形图案。大多数情况下，铁原子位于每个三角形的角上，而一个锡原子位于交错三角形之间的较大的六边形空间内。

然后Ye将一股电流通过晶体层，通过他们所创造的电压来观察它们的流动。她了解到，无论晶体的三维性质如何，电荷都以二维的方式偏转。最终的证明来自于第一作者Kang的光电子实验，他和LBNL团队一起证明了电子光谱与有效的2D电子相对应。

“当我们仔细观察电子带时，我们注意到一些不寻常的东西，”Kang补充道。“这种磁性材料中的电子表现如同巨大的狄拉克粒子，这是很久以前就预言过的，但在这些系统中从未见过。”

这种材料在交织磁场和拓扑方面的独特能力表明它们很可能会产生其他的意外现象。我们的下一个目标是探测和操纵边缘状态，这是这些新发现的量子电子相的拓扑性质的重要推论。

接下来，该团队将探索如何稳定其他更加二维的戈薇晶格结构。这样的材料，如果可以合成的话，不仅可以用来尝试零能耗的设备，比如无耗散的电力线，还可以用来研究量子计算的应用。

“在量子信息科学的新方向上，人们对新奇的量子电路越来越感兴趣，而这些通路的耗散性和手性都很低，”Checkelsky说。“这些戈薇金属为实现量子电路的新平台提供了一种新的材料设计途径。”

这项研究得到了戈登与贝蒂·摩尔基金会和国家科学基金会的支持。