磁性材料可以hold住狡猾的韦尔费米子

材料牛注：韦尔费米子，作为一种无质量粒子，可存在于具有特定磁序和强自旋-耦合效应的材料中。锇基材料可产生韦尔费米子，或可为运行速度更快的电子设备的产生提供可能。

美国橡树岭国家实验室和田纳西大学的科学家通过中子衍射和X射线研究发现：难以捉摸的韦尔（Weyl）费米子或存在于磁晶体结构中。

发表于Nature Communications中的一篇文章中提到：研究团队通过研究含有密集锇元素的材料，记录了韦尔费米子的两种形成条件。1929年，这一无质量粒子的存在便得到预测，但直到2015年才在实验中首次发现。此后，研究人员便开始寻找其他可以承载这种无质量粒子的材料，以期利用它们在自旋电子学和计算应用程序（如量子计算机）方面的独特性质。

“一旦你拥有了可以承载无质量粒子的材料，它们在其间的运动就如同电子一样。但因没有质量，它们比电子更快。”橡树岭国家实验室研究团队的第一作者Stuart Calder这样说道。“因为所有的电子工业都基于电子，如果我们用韦尔费米子来代替这些电子，从原理上来说，我们可以获得运行速度更快的设备。”

为了更清晰地定义具有烧绿石晶体结构的锇基材料的磁序，橡树岭国家实验室能源部办公室的科学家们在高通量同位素反应堆上进行了中子衍射研究。结果表明：这种材料具有“全向内”或者“全向外”的磁序。此磁序即为产生韦尔费米子的两个条件之一。“实验结果很好地描述了电子的自旋和排列：或者全部指向中心，或者全部沿中心指出。中子是用来确定磁结构最好的标准物质。因为具有小尺寸的自旋，这些材料的磁峰都很弱。因此必须使用专业的设备才能够观察到。”Calder 如此说。

第二个条件是具有强的自旋-轨道耦合效应。作为所有原子都有的性质，自旋-轨道耦合可描述电子自旋和其绕核运动的关系。一般来说，原子越大，电子密度越大，就会展现出越强的自旋-轨道耦合效应。但是，尽管此材料中的锇是密度很大的重元素，但其电子构型却被认为会消除自旋-轨道效应。

美国能源部办公室的研究人员在阿贡国家实验室使用先进的X射线分析光源进行X射线分析，有力地证明了锇酸盐烧绿石材料具有强的自旋-轨道耦合效应。“此前，人们认为烧绿石材料中锇的自旋-轨道耦合效应十分微弱，甚至可以忽略。这是人们有史以来第一次利用X射线观察到锇基材料中强的自旋-轨道耦合效应，这正是我们所做的。”Calder 说。

Calder认为， 研究团队的工作虽然不能直接证明锇酸盐材料中存在韦尔费米子，但结果显示这种材料确实可以作为潜在的载体。“因为具有磁性基态和强烈的自旋-轨道耦合效应，此种材料具备韦尔费米子产生的条件。很多人研究铱基材料，只因为其具有可以促成“新物理学”到来的自旋-轨道耦合效应。现在看来，锇基材料也值得人们的同样关注！”

原文链接Magnetic material could host wily Weyl fermions

本文由编辑部王宇提供素材，侯倩翻译，薛文嘉审核。