量子材料(即具有受量子力学原理支配的电子特性的材料，例如关联和纠缠)可以在某些条件下表现出奇特的行为，例如能够无阻力地传输电流，即超导性。然而，为了使这些材料发挥最佳性能，需要对它们进行适当的调整，就像赛车也需要调整一样。

麻省理工学院核科学与工程系(NSE)副教授 Mingda Li 领导的团队展示了一种调整量子材料特性的全新、超精确方法，并以一类特殊的量子材料——外尔半金属为例。

新技术并不局限于韦尔半金属。“我们可以将这种方法用于任何无机块体材料，也可以用于薄膜，”NSE 博士后 Manasi Mandal 坚持说，他是最近在《应用物理评论》上发表的一篇开放获取论文的两位主要作者之一，该论文报告了该小组的研究成果。

论文中描述的实验重点关注一种特定类型的韦尔半金属，即磷化钽 (TaP) 晶体。材料可以根据其电特性进行分类：金属容易导电，而绝缘体会阻碍电子的自由流动。半金属介于两者之间。它可以导电，但只能在较窄的频带或通道中导电。

韦尔半金属属于一种更广泛的所谓拓扑材料，具有某些独特的特征。例如，它们拥有奇特的电子结构——扭结或“奇点”，称为韦尔节点，它们是围绕单个点(以顺时针或逆时针方向排列)的漩涡图案，类似于发旋或更普遍的涡旋。

韦尔节点的存在赋予了材料不寻常的、有用的电学特性。拓扑材料的一个关键优势是，即使材料受到干扰，其广受欢迎的特性也可以保留下来，或“拓扑保护”。

“这是个很好的特性，”麻省理工学院电子工程与计算机科学系博士生、论文另一位主要作者 Abhijatmedhi Chotrattanapituk 解释道。“当你尝试制造这种材料时，你不必非常精确。你可以容忍一些缺陷、一定程度的不确定性，而材料仍然会表现得符合预期。”

就像水坝里的水

需要进行的“调整”主要与费米能级有关，费米能级是给定物理系统或材料中电子占据的最高能级。Mandal 和 Chotrattanapituk 提出了以下类比：考虑一个可以充满不同水位的水坝。人们可以通过加水来提高水位，也可以通过排水来降低水位。同样，人们可以通过增加或减少电子来调整给定材料的费米能级。

为了微调韦尔半金属的费米能级，李的团队做了类似的事情，但他们没有添加实际的电子，而是向样品中添加了负氢离子(每个氢离子由一个质子和两个电子组成)。将外来粒子或缺陷引入 TaP 晶体的过程(在本例中是用氢离子代替钽原子)称为掺杂。当达到最佳掺杂时，费米能级将与韦尔节点的能级一致。此时，材料所需的量子特性将得到最充分的实现。

对于韦尔半金属，费米能级对掺杂特别敏感。除非该能级设置在韦尔节点附近，否则材料的特性可能会与理想值有很大偏差。这种极端敏感性的原因在于韦尔节点的特殊几何形状。

如果把费米能级想象成水库的水位，那么韦尔半金属的水库形状就不是圆柱体，而是沙漏形，韦尔节点位于沙漏最窄处，也就是颈部。加水过多或过少都会完全错过颈部，就像给半金属加太多或太少的电子都会完全错过节点一样。

点燃氢气

为了达到必要的精度，研究人员利用了麻省理工学院的两级“串联”离子加速器(位于加速器和辐射科学技术中心 (CSTAR))，并用来自强大(170 万伏)加速器束的高能离子冲击 TaP 样品。之所以选择氢离子，是因为它们是最小的负离子，因此对材料的改变比大得多的掺杂剂要小。

“使用先进的加速器技术可以实现前所未有的高精度，将费米能级精度设定为毫电子伏特(千分之一电子伏特)。”领导 CSTAR 实验室的首席研究科学家 Kevin Woller 说道，“此外，高能束可以对块状晶体进行掺杂，突破了厚度仅为几十纳米的薄膜的限制。”

换句话说，这个过程包括用氢离子轰击样品，直到吸收足够数量的电子，使费米能级恰到好处。问题是：你运行加速器多长时间，你怎么知道什么时候足够?关键是你要调整材料，直到费米能级既不太低也不太高。

“机器运行的时间越长，费米能级就越高，”Chotrattanapituk 说道。“困难在于，当样品在加速器室内时，我们无法测量费米能级。”

处理这种情况的正常方法是照射样品一段时间，取出，测量，如果费米能级不够高，再放回去。“这实际上是不可能的，”曼达尔补充道。

为了简化该方案，该团队设计了一个理论模型，该模型首先预测需要多少电子才能将费米能级提高到所需的水平，并将其转化为必须添加到样品中的负氢离子的数量。然后，该模型可以告诉他们样品应在加速器室中保存多长时间。

Chotrattanapituk 表示，好消息是，他们的简单模型与值得信赖的传统模型的误差在 2 倍以内，而传统模型的计算强度要​​大得多，可能需要使用超级计算机。

他指出，该团队的主要贡献有两个方面：提供一种基于加速器的新型精确掺杂技术，并提供一种可以指导实验的理论模型，告诉研究人员应根据离子束的能量、曝光时间以及样品的大小和厚度向样品中添加多少氢。

精细调整带来美好

曼达尔指出，这可能为重大的实际进步铺平道路，因为他们的方法可以在几分钟内将样品的费米能级提升到所需的值——而通过传统方法，这项任务有时需要数周时间才能达到所需的毫电子伏特精度。

李认为，一种精确而方便的微调费米能级的方法可能具有广泛的适用性。“当谈到量子材料时，费米能级几乎就是一切，”他说。“我们所寻求的许多效应和行为只有当费米能级处于正确的位置时才会显现出来。”

例如，通过合理调整费米能级，可以提高材料超导的临界温度。热电材料可以将温差转换为电压，同样，当费米能级设置得恰到好处时，其效率也会更高。精确调整也可能对量子计算起到有益作用。

橡树岭国家实验室的资深科学家托马斯·扎克·沃德对此给出了乐观的评价：“这项工作为实验探索新兴材料的关键行为提供了一条新途径，但目前我们还不太了解这些行为。精确控制拓扑材料费米能级的能力是一个重要的里程碑，有助于实现新的量子信息和微电子设备架构。”

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