Coexisting Kondo and Weyl-like transport in kagome heavy-fermion metal, Yb$_y$Co$_3$G$e_{3-x}$Sn$_x$

在固体材料的世界里，电子通常表现得像是在繁忙街道上穿行的人群。有时，它们移动得自由且快速，如同一阵轻风；而有时，它们会因为与邻居的相互作用而变得滞重或缓慢，变得沉重且迟钝。科学家们早已知道如何制造出让电子表现得像重粒子一样的材料，这种现象是由强大的内部作用力驱动并使它们变重的。他们也发现了让电子表现得仿佛完全没有质量的材料，这些电子以真空中的粒子般的速度和轻盈感，穿梭于晶体结构之中。这两种行为——变得沉重与变得无质量——通常属于不同的材料家族。物理学家的挑战在于寻找一种能让这两种行为同时存在的单一物质，从而让他们能够研究这些相反的力量如何在同一个固体对象中相互作用。

一支研究团队现在发现了一种这样的材料。通过生长一种含有镱（ytterbium）、钴（cobalt）、锗（germanium）和锡（tin）的特定化合物晶体，他们发现了一种电子可以同时表现为既重又无质量的金属。这种材料是 kagome 金属的一种变体，它充当了一个独特的实验室，其中两种截然不同的电子交通流并排流动，而不会合并成一股无法分辨的流。研究人员发现，虽然一些电子由于磁相互作用而变得沉重，但另一些电子保持轻盈且无质量，它们对磁场做出反应的方式表明它们遵循着一套不同的物理规则。这一发现提供了一种控制材料中电流流动的新方法，可能允许科学家在无需改变材料化学成分或施加外部调控的情况下，在重行为与轻行为之间进行切换。

故事始于晶体本身。研究人员生长了名为 Yb$_y$Co$_3$Ge$_{3-x}$Sn$_x$ 的材料的薄六角针状晶体。在这些针状晶体内部，钴原子形成了一种被称为 kagome 格子的特定几何图案，该图案以一种传统的日本编织篮纹路命名。这种排列因创造出异常的电子态而闻名。在钴网络之间，散布着镧系元素镱原子。晶体中镱的含量经过了精确调整，最好的样本中镱占据了可用位置的 19% 到 48%。研究人员使用熔融锡浴生长这些晶体，这种方法使他们能够高精度地控制无序度和原子的特定排列。

当他们将这些晶体冷却到极低温度时，电子开始表现出变得沉重的迹象。当温度降至约 25 开尔文以下时，材料的电阻开始上升，这是电子与镱原子的磁矩发生强烈相互作用的典型信号。这被称为 Kondo 效应，即电子在移动时实际上拖着一团沉重的磁性影响云。随着温度进一步下降，电阻达到峰值，然后开始急剧下降。这种下降标志着重电子已经组织成了一个相干态，在整个晶格中步调一致地移动。研究人员测量了材料的热容，发现这些电子确实非常沉重，其质量增强程度使这种材料稳稳地归入重费米子金属（heavy-fermion metals）的范畴。

然而，故事并未止步于重电子。当研究人员沿着晶体针的长轴方向施加强磁场，且磁场方向与电流方向平行时，意想不到的事情发生了。在典型的重费米子金属中，随着磁场增强，电阻最终会停止变化，达到一个饱和点。但在这种材料中，电阻持续下降，随着磁场的增加变得更加负值，一直持续到高达 32 特斯拉的强磁场。这种行为并不符合重电子的标准模型。相反，它匹配了与无质量粒子——外尔费米子（Weyl fermions）相关的特征。在这些系统中，当电场和磁场对齐时，一种被称为手征异常（chiral anomaly）的量子效应允许电子以更小的电阻流动，产生随磁场强度平方增长的负磁阻效应。

为了理解这两种行为如何在同一个晶体中并存，研究人员利用角分辨光电子能谱技术研究了电子结构。这种方法使他们能够绘制出材料内部电子的能量能级。他们发现了两类截然不同的电子能带：一组能带是平坦的，这意味着处于这些状态的电子移动并不容易，是导致重费米子行为的原因；另一组能带是色散的，这意味着电子可以自由且快速地移动，表现得像拓扑材料中的无质量粒子。理论计算证实，平坦能带来自于镱原子，而色散能带则源自钴 kagome 网络。

关键发现是，这两组电子尽管生活在同一个晶体中，却很大程度上各自在自己的轨道内运行。由镱原子驱动的重电子遵循 Kondo 效应的规则，其行为缩放方式与单个磁性离子相匹配。与此同时，在钴网络中流动的无质量电子则以手征异常响应磁场。研究人员测试了重电子是否可能是无质量行为的来源，但数据排除了这种可能性。重电子在较低磁场下就达到了响应饱和，而无质量信号则持续增长。他们也排除了其他常见的解释，例如晶体中的无序或简单的散射效应，因为这些因素无法解释电阻随磁场变化的特定方式。

这种行为的分离暗示了一种关于强关联与拓扑如何共存的新图景。在以往的一些理论中，人们认为重费米子效应会产生无质量态，或者在低温下将其完全抑制。在这里，这两种效应似乎是相互独立的，分别源于电子结构的不同部分。镱原子提供了重关联电子，而钴晶格则提供了拓扑性的无质量电子。由于这两类电子是截然不同的，因此可以在同一个体材料中被分别观察和测量。这意味着科学家不需要通过调节材料的化学成分或改变其费米能级来获取其中一种行为或另一种行为；两者都是自然存在且活跃的。

这一发现的意义超越了对单一材料的理解。它证明了在强相互作用存在的情况下，通过工程手段制造出不同电子态保持其独特身份的固体是可能的。这为在单个器件中选择性地访问关联响应和拓扑响应打开了大门。通过理解这些不同状态如何共存，研究人员最终可能能够设计出可以在重导电模式和轻导电模式之间进行切换的材料，或者利用一种类型的电子来控制另一种类型。这项工作证实了 kagome 格子是此类物理学的肥沃土壤，它提供了一个平台，让复杂的电子之舞可以被拆解成其组成部分，揭示了一个电子可以同时既重又轻的世界。