科学家发现了具有奇异螺旋磁性的晶体

　　这种＂半金属＂晶体由重复的单元单元组成，如左边的这个，它有一个正方形的顶部和矩形的边。这些球体代表硅原子(紫色)，铝原子(绿松石)，以及金的钕原子(Nd)，最后一个是磁性的。要了解这种材料的特殊磁性，需要9个这样的单元电池，如图右边的大块所示(其中有一个单元电池用红色标出)。这个3x3的方块显示了绿色的＂韦尔＂电子沿对角线穿过细胞顶部，并影响了Nd原子的磁自旋方向。威尔电子的一个特殊性质是其自旋方向的锁定，即与运动方向平行或反平行，如威尔电子中的小箭头所示。随着这些电子沿着四枚Nd原子,Nd旋转调整自己为＂旋转螺旋＂,可以想象为指向先后在12点方向(接近观众用红箭头朝上),4点钟(蓝色箭头),8点钟(蓝色)和再12点(最远的从观众和红色)。钕原子线延伸穿过晶体的许多层，提供了这种不同寻常的磁模式的许多实例。来源:n Hanacek / NIST
　　美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家们对一种新晶体进行了分析，发现了一种奇异的磁性形式，并与一种同样奇异的电子类型有关。磁性是由晶体独特的电子结构产生和保护的，提供了一种机制，可能被利用为快速、可靠的信息存储设备。
　　这种新发明的材料有一种不同寻常的结构，可以导电，但可以使流动的电子表现出无质量粒子的行为，其磁性与它们的运动方向有关。在其他材料中，这样的韦尔电子引发了与电导率有关的新行为。然而，在这种情况下，电子促进了磁性螺旋的自发形成。
　　＂我们的研究显示了这些粒子驱动集体磁性的一个罕见例子，＂约翰霍普金斯大学的物理学家科林·布罗姆说，他领导了NIST中子研究中心(NCNR)的实验工作。＂我们的实验说明了一种由韦尔电子产生的独特形式的磁性。＂
　　发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上的这一发现揭示了这种材料、以电流形式流过它的电子和这种材料所显示的磁性之间的复杂关系。
　　在冰箱磁铁中，我们有时会想象每个铁原子都被一块棒状磁铁刺穿，其＂北极＂指向某个方向。这个图像是指原子的自旋方向，它们平行排列。研究小组研究的材料是不同的。它是一种由硅、金属铝和钕制成的＂半金属＂。这三种元素一起构成了一种晶体，这意味着它的组成原子以一种规则的重复模式排列。然而，正是这种晶体打破了反对称，这意味着晶体单元细胞(晶体晶格的最小组成部分)的一边重复的图案与另一边不同。这种排列稳定了电子在晶体中的流动，这反过来又驱动了其磁性的异常行为。
　　电子的稳定性显示出它们在自旋方向上的一致性。在大多数导电材料中，比如铜线，流经导线的电子具有指向任意方向的自旋。但在半金属中就不是这样了，它的对称性被破坏后，流动的电子就变成了韦尔电子，而韦尔电子的自旋要么与电子运动的方向一致，要么与电子运动的方向完全相反。正是这种将韦尔电子的自旋锁定到它们的运动方向——它们的动量——导致了半金属的稀有磁性行为。
　　这种材料的三种原子都能导电，为电子从一个原子跳到另一个原子提供了跳板。然而，只有钕(Nd)原子具有磁性。它们很容易受到威尔电子的影响，这种电子以一种奇怪的方式推动Nd原子自旋。沿着沿着半金属对角线延伸的任何一排Nd原子，你会看到研究小组所说的＂自旋螺旋＂。
　　布罗姆说:＂简单地说，第一个Nd原子的自旋指向12点，下一个指向4点，第三个指向8点。＂然后重复这个模式。这种美丽的自旋‘结构’是由Weyl电子在拜访邻近的Nd原子时驱动的。＂
　　约翰斯·霍普金斯大学量子物质研究所的许多小组合作揭示了晶体中产生的特殊磁性。它包括研究晶体合成、复杂的数值计算和中子散射实验的小组。
　　＂对于中子散射，我们从NIST中子研究中心提供的大量中子衍射光束时间中受益匪浅，＂论文的合著者之一乔纳森·高德特(Jonathan Gaudet)说。＂如果没有光束时间，我们就会错过这些美丽的新物理学。＂
　　自旋螺旋的每个环大约有150纳米长，而螺旋只在低于7 K的低温下出现。布罗姆说，有一些材料具有类似的物理性质，可以在室温下工作，它们可以用来制造高效的磁性存储设备。
　　＂像硬盘这样的磁存储技术通常需要你创建一个磁场来让它们工作，＂他说。＂有了这类材料，你就可以不需要施加或检测磁场就能存储信息。电子信息的读写速度更快，也更健壮。＂
　　了解韦尔电子驱动的效应，也可能有助于了解其他令物理学家震惊的材料。
　　布罗霍姆说:＂从根本上说，我们可能能够创造出各种具有不同内部自旋特性的材料——也许我们已经做到了。＂＂作为一个群体，我们创造了许多我们无法立即理解的磁性结构。在了解了韦尔介导的磁性的特殊特性后，我们可能最终能够理解和使用这种奇异的磁性结构。＂