研究人员通过展示一个理想的Weyl半金属取得了重大进展，解决了在量子材料领域存在近十年的问题。
由RIKEN新兴物质科学中心（CEMS）的强关联量子输运实验室领导的国际团队，创造了一个理想的Weyl半金属，标志着量子材料领域长期挑战的一项重大里程碑。
Weyl费米子是晶体中电子的集体量子激发，理论上被认为具有独特的电磁特性，这引发了全球的广泛关注。然而，尽管对数千种晶体结构进行了广泛的研究，大多数已知的Weyl材料主要表现出由不必要的平凡电子主导的电导性，这掩盖了Weyl费米子的存在。最终，研究人员成功合成了一种材料，其中包含一对唯一的Weyl费米子，没有任何无关的电子状态。
这项研究的详细信息已在最新一期的《自然》杂志上发布，源于CEMS、RIKEN跨学科理论与数学科学项目（iTHEMS）、东京大学量子相电子中心（QPEC）、东北大学材料研究所以及新加坡南洋理工大学的四年合作。团队通过重新审视2011年提出的一个被搁置的策略，从一个拓扑半导体中开发出一个Weyl半金属。
半导体的特点是具有小的“能隙”，允许它们在绝缘态和导电态之间切换，构成现代晶体管的基础。相比之下，半金属可以被视为具有零“能隙”的半导体的一种特殊情况，正好位于绝缘体和金属之间。这种材料在现实世界中极为罕见，石墨烯是最著名的例子之一，广泛应用于摩尔物理和柔性电子学。
这里研究的拓扑半导体是碲化铋，记作Bi2Te3。研究人员通过用铬替代铋，系统地改变了化学成分，最终得到了(Cr,Bi)2Te3。博士生、共同第一作者渡边亮太提到：“起初，我们对(Cr,Bi)2Te3中显著的非平常霍尔效应（AHE）感到着迷，这暗示着超越传统拓扑半导体的新物理。”合作者来自iTHEMS的池青凯强调：“与以往的Weyl材料不同，(Cr,Bi)2Te3的电子结构异常简单，使我们能够运用精确的理论方法解释我们的实验发现。这使我们得以直接将大型AHE与Weyl费米子的出现联系起来。”
来自CEMS的论文第一作者伊利亚·贝洛波尔斯基对这一发现感到惊讶，回忆起他和同事们并未预见到这一结果。“各种研究小组已经建立了创造这种Weyl半金属所需的关键理论和实验知识。然而，由于缺乏沟通，我们忽视了这一重要发现。回眸来看，这项发现似乎应该在近十年前就发生。”
关于这一突破为何发生在RIKEN，贝洛波尔斯基将其归因于CEMS卓越的聪明才智结合、可观的资金和思想激励的环境。“美国、中国和欧洲的许多优秀团队多年来一直专注于类似主题。这一发现发生在这里的原因可能源于RIKEN极具创造性和协作性的环境。”
这一发现的一个有希望的应用是太赫兹（THz）设备。标准半导体只能吸收能量高于其能隙的光子，这通常排除了THz频率范围。博士后研究员、共同作者佐藤幸表示：“与半导体不同，半金属几乎没有能隙，允许它吸收低频光，包括THz频率。我们渴望利用我们的理想Weyl半金属生成和探测THz光。”
团队还期待探索高性能传感器、低功耗电子产品和创新光电设备。刚加入强关联量子输运实验室的博士后研究员泰丽霖分享了她对这项量子物质新研究机会的热情。“在这样一个激动人心的时刻加入这个研究团队，经过这么多年的努力，我们终于获得了真正的Weyl半金属，必将带来许多令人着迷的突破。”
