中子揭示了韦尔半金属中局部对称性破缺的存在

第一批材料科学家可能是早期人类，他们通过反复试验发现了第一批“尖端”技术。他们发现，最好的箭头和其他工具可以用某些类型的天然结构材料制成，当时包括石头和动物骨头。

如今，许多最有前景的新材料都已“功能化”，这意味着它们通常是在原子尺度上精心、有条不紊地设计和合成的。

在橡树岭国家实验室，一组科学家利用中子散射技术研究了一种相对较新的功能材料，称为韦尔半金属。这种晶体材料含有低能准粒子，这些准粒子具有原子级特性，可视为粒子。这些韦尔费米子在材料中移动速度非常快，可以在室温下携带电荷。科学家认为，如果将韦尔半金属用于未来的电子产品，可以使电流更有效地流动，并使计算机和其他电子设备更节能。

ORNL 团队研究了一种钴基磁性韦尔半金属，它具有特殊的晶体结构——Kagome 晶格，在特定条件下可以自发转变为磁体。这种铁磁材料通常具有原子自旋方向一致的特性，这种特性称为磁对称性。

“我们的实验表明，当这种半金属达到转变为磁体的程度时，磁对称性会发生变化或破坏。与材料的整体平均对称性相比，局部区域的原子位置会同时发生变化，”ORNL 散裂中子源(SNS)的中子科学家、发起这项研究的通讯作者张强说。

“发现韦尔半金属中局部对称性破缺的存在，对于理解这种材料和其他功能材料的磁性和量子特性至关重要。”

确定半金属晶体结构的结构复杂性需要在 ORNL 的多个中子仪器上对晶体样品进行实验。在 SNS 上，HYSPEC 混合光谱仪用于测量晶体中的磁序，POWGEN 粉末衍射仪用于确定原子的排列和温度对样品的影响。利用 ORNL 高通量同位素反应堆 (HFIR) 上的 PTAX 三轴偏振中子光谱仪，该团队对样品的自旋排列进行了更灵敏的观察。

“中子散射实验与我们的数据建模技术相结合，可以为我们提供原子如何排列以及它们如何相互作用的想法，”ORNL的张元鹏说，他是该论文的通讯作者，也是开发中子散射数据缩减和分析软件工具的专家。

“我们报告的关于韦尔半金属系统的研究结果以及许多其他关于中子结构研究的报告都证实，局部对称性破缺在决定各种功能材料的特性方面发挥着重要作用，例如在储能应用和磁性系统中。”

科学家们预计，未来对这些材料的研究将带来控制外尔半金属局部磁对称性的方法，从而改变材料所需的物理特性，以用于工程磁性装置。

该团队包括来自中子散射部门、材料科学与技术部门和 ORNL 的 Shull Wollan 中心的研究人员。该结果是张强领导的研究的另一项重要发现，此前曾有关于材料自旋间异常耦合的报告。