Type-II Dirac points and Dirac nodal loops on the magnons of square-hexagon-octagon lattice

在固体材料的寂静世界中，存在着一层与电流或电子流动无关的隐藏活动层。相反，它涉及微小原子磁体（称为自旋）的集体摆动，这些摆动像池塘中的波纹一样在晶体中传播。这些涟漪被称为磁振子（magnons）。与电子不同，磁振子不携带电荷，但它们携带能量和一种特定类型的自旋，即角动量。几十年来，物理学家一直对当这些波在所经过的材料具有特殊扭曲结构时会如何表现感到着迷。在这样的材料中，波可以变得具有“拓扑性”，这意味着它们的路径受到材料本身几何结构的保护，使其对于通常会导致散射的缺陷或杂质具有极强的鲁棒性。这种鲁棒性不仅是一个理论上的奇趣，它还预示着一个信息传输无需经历当前电子设备中所面临的能量损耗的未来。然而，创造这些特殊的态通常需要难以控制或观测的复杂磁相互作用。

一组研究人员现在提出了一种利用一种新发现的特定原子排列来产生这些受保护磁波的方法。他们专注于一种形状类似于重复的正方形、六边形和八边形图案的晶格结构，这种设计已在一种被称为联苯亚网络（biphenylene network）的碳基材料中合成。通过将这种结构视为磁波的游乐场，研究人员利用计算机模拟绘制了这些波是如何移动的。他们发现，在特定条件下，这些波的能量层级会形成一种独特的形状，称为II型狄拉克点（Type-II Dirac point）。与物理学中通常看到的标准对称锥形能量不同，这些点是倾斜的，创造了一个波根据其方向以不同速度传播的景观。这种倾斜并非细枝末节；它从根本上改变了波的相互作用方式，允许它们形成受拓扑保护的闭合能量环。

研究人员发现，这些受保护的状态自然地出现在材料中，而不需要通过德亚洛申斯基-莫里亚相互作用（DMI）来引发拓扑转变。然而，为了完全定义拓扑传输特性（例如陈数）并使狄拉克点处开启能量间隙，引入DMI是必要的。研究表明，虽然最初的拓扑特征源于晶格几何结构和交换耦合，但在特定的参数范围内，系统对DMI保持鲁棒。当研究人员调整模型中原子间连接的强度时，他们观察到能量景观发生了偏移。在某一点，波相互交叉的独特能量点会合并并消失，这一过程被称为成对湮灭（pair annihilation）。这种合并就像一个开关，将材料从具有特殊拓扑保护的状态切换到普通的平凡状态。通过追踪这一转变，团队能够准确识别出材料在何处是安全的，以及在何处是脆弱的。他们还展示了即使引入了复杂的磁相互作用，特殊的能量环在特定范围内依然保持稳定，证明了系统的韧性。

除了绘制能量分布外，团队还计算了这些波在材料边缘的行为。在拓扑材料中，波被迫沿着边界旅行，无法转向或向后散射，就像汽车被迫行驶在单行道上一样。模拟显示，这些边缘波携带一种特定类型的电流，理论上会产生可测量的热效应。当在材料两端施加温度差时，这些边缘波被预测会产生一种横向移动的热流，这种现象被称为热霍尔效应（thermal Hall effect）。这种效应是该材料拓扑性质的直接特征。此外，研究人员将这种行为与经典的物理现象——爱因斯坦-德哈斯效应（Einstein-de-Hass effect）联系起来。该效应描述了物理对象的旋转如何由其内部自旋角动量的变化引起。团队计算出，这种具有方-六-八边形晶格的独特拓扑波将在该效应中产生一种独特的、可测量的响应，只要实施特定的实验设置，这便为在真实实验中探测这些奇异态提供了一种潜在方法。

这项研究表明，这些发现不仅仅是数学抽象，也可以在模仿这种原子结构的真实磁性材料中被观察到。研究人员指出，诸如非弹性中子散射（inelastic neutron scattering，即通过将中子撞击材料来观察其内部能级如何移动）等技术可以用来可视化这些能量环以及它们相遇的特殊点。他们还指出，这些效应最强的特定温度范围虽然很低，但对于目前的实验室设备来说是可以实现的。这项工作为实验人员提供了一份清晰的路线图：通过调节具有这种特定几何结构的材料中的磁连接，他们可以创造出一种磁波无阻力流动并产生独特热特征的状态。这为理解如何控制磁信息而不使用电流开辟了新的途径，可能导致未来更高效的数据处理方式。这一发现证实了原子晶格本身的几何结构是工程化磁波行为的强大工具，为探索下一代磁性技术提供了一个稳健的平台。