光诱导的韦尔节点扭曲可引发巨电子流

美国能源部艾姆斯实验室的科学家与布鲁克海文国家实验室和阿拉巴马大学伯明翰分校的合作者发现了一种新型光感应开关，这种开关可以扭曲材料的晶格，从而产生几乎无耗散的巨大电子电流。这一发现来自一类拓扑材料，该材料在自旋电子学、拓扑效应晶体管和量子计算方面具有巨大前景。

韦尔和狄拉克半金属可以承载奇异的、几乎无耗散的电子传导特性，利用以及保护电子不这样做的材料的电子结构。这些受对称性和拓扑保护的异常电子传输通道通常不会出现在铜等传统金属中。几十年来，人们只在理论物理学的背景下描述它们，现在人们对制造、探索、改进和控制它们受拓扑保护的电子特性以用于设备应用的兴趣越来越大。例如，量子计算的大规模采用需要构建保护脆弱量子态免受杂质和噪声环境影响的设备。实现这一目标的一种方法是通过开发拓扑量子计算，其中量子位基于“对称保护”的无耗散电流，不受噪声影响。

艾姆斯实验室高级科学家、爱荷华州立大学物理学教授王继刚表示：“光诱导晶格扭曲，或声子开关，可以控制晶体反演对称性，并以极小的电阻产生光生巨电流。这种新的控制原理不需要静态电场或磁场，速度更快，能耗更低。”

艾姆斯实验室科学家、论文第一作者罗亮表示：“这一发现可以扩展到基于手性物理和无耗散能量传输的新型量子计算原理，其运行速度可以更快、能耗更低、工作温度更高。”

王、罗和他们的同事实现了这一目标，他们利用太赫兹（每秒一万亿次）激光光谱检查和推动这些材料，揭示了其特性的对称性转换机制。

在这项实验中，研究小组改变了材料电子结构的对称性，利用激光脉冲扭曲晶体的晶格排列。这个光开关使材料中出现“韦尔点”，使电子表现为无质量粒子，可以携带人们所追求的受保护的低耗散电流。

“我们通过驱动原子围绕其轨道周期性运动，实现了这种巨大的无耗散电流。”以打破晶体反演对称性，”阿拉巴马大学伯明翰分校物理学教授兼系主任 Ilias Perakis 表示。“这种光诱导的 Weyl 半金属传输和拓扑控制原理似乎是通用的，对于未来高速低能耗量子计算和电子器件的开发非常有用。”

布鲁克海文国家实验室先进能源材料组组长李强表示：“到目前为止，我们缺少的是一种低能量和快速开关，可以诱导和控制这些材料的对称性。”“我们发现了一种轻开关为携带无耗散电子流提供了一个绝佳的机会，这是一种拓扑保护状态，当遇到材料中的缺陷和杂质时，它不会减弱或减慢。”

该研究在发表于自然材料。