第227章 洗不掉的杂质
徐辰没有说话,只是静静地盯著那条“完美”的曲线。
实验室里一片死寂,只有仪器运转的嗡嗡声。
“师兄,”徐辰突然开口,打破了沉默,“你刚才说,这个材料是反铁磁,所以宏观磁矩m几乎为零,对吧?”
“那肯定啊。”张乐阳有气无力地瘫在椅子上,隨手拿起一支笔在空中比划,“洛伦兹力嘛,f=qvb。没有磁矩m提供內稟磁场b,电子凭什么转弯?除非……”
“除非什么?”徐辰追问道。
张乐阳苦笑一声:“除非电子自己『想』转弯。但这怎么可能?mn?sn是反铁磁体,磁矩抵消了,空间反演对称性虽然破缺了,但宏观上它就是个『磁性哑巴』。电子在里面跑,理论上应该像在高速公路上走直线才对。”
“走直线?”徐辰敏锐地抓住了这个词,嘴角微微上扬,“师兄,如果高速公路本身就是弯的呢?”
张乐阳愣了一下:“什么意思?你是说晶格畸变?”
“不,是更本质的东西。”
徐辰拿起笔,在草稿纸上画了一个倒空间的示意图,一边画一边说道:“师兄,你还记得这几年数学物理界很火的那个概念吗?贝里曲率,记作Ω。”
张乐阳眉头紧锁,思索道:“听说过,那是拓扑物理里的概念,描述的是波函数在参数空间演化时的几何相位……等等!”
张乐阳猛地坐直了身体,眼睛瞪大:“你的意思是,把倒空间看作一个流形?”
“没错。”徐辰点了点头,笔尖在纸上飞快地写下了一个修正后的公式:
rxy∝m+∫Ωdkr_{xy}propto m +int omega dkrxy∝m+∫Ωdk
他指著那个多出来的积分项,语气平静却充满力量:
“经典物理只看到了第一项m。当m趋近於零时,大家就觉得霍尔效应也该消失。但是,如果第二项——这个纯几何的积分项,它不仅不为零,反而很大呢?”
张乐阳盯著那个公式,呼吸开始急促起来,作为物理博士的直觉被瞬间唤醒:“你是说……虚磁场?虽然没有实体的磁矩m,但电子在倒空间运动时,感受到了由晶体几何结构產生的『等效磁场』?”
“对。”徐辰指著墙上的晶体结构图,“你们这个材料,空间群 p63/mmc,虽然是反铁磁,但它的磁结构破坏了时间反演对称性。在倒空间里,这种特殊的对称性破缺,极有可能会让能带结构发生剧烈的扭曲。”
徐辰手中的笔尖重重地点在纸上:
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“简单说:不需要有铁(磁矩 m),只要空间的几何结构(Ω)扭曲得够厉害,电子照样会跑出弧线,產生巨大的霍尔电压。”
“这叫……拓扑霍尔效应。”
……
张乐阳听得目瞪口呆。“拓扑……霍尔效应?”他喃喃自语,“可是,这通常只在那些极端的拓扑材料里才有啊,我们这个……”
“你们这个材料,本身就是极端的。”徐辰打断了他,“还记得我们之前的结论么,这是非共线反铁磁,加上手性结构,这简直就是產生贝里曲率的温床。”
虽然心里有了这个猜想,但徐辰並没有立刻下定论。
“这目前只是一个基於群论和拓扑学的数学猜想。而且,这个猜想有一个致命的弱点。”
“什么弱点?”张乐阳紧张地问道。
“积分。”徐辰指著那个公式,“在绝大多数情况下,整个布里渊区的贝里曲率积分是零。除非……”
徐辰顿了顿,眼神变得深邃:“除非在这个高维空间里,存在著某种『奇点』。这些奇点像泉眼一样源源不断地喷涌出贝里曲率,也就是物理上说的——外尔点。”
“如果没有找到这些奇点,那这个公式就是废纸一张,我们的猜想也就只是空想。”
张乐阳咽了口唾沫:“那……怎么找?”
“靠算。”徐辰合上笔记本,目光如炬,“这需要构建极其复杂的哈密顿量,並在六维参数空间里进行拓扑搜索。这不是物理实验能做到的,这是纯粹的数学战爭。”
“看来,又得闭关算一阵子了。”
……
徐辰把自己关进了研究室。
面前的白板上,密密麻麻地写满了哈密顿量和各种拓扑不变量的符號。
他要做的,是一场纯粹的数学推演,试图在理论层面捕捉那个反常信號的本质。
那个巨大的反常霍尔信號,就像是一个隱藏在迷雾中的异常值。经典物理的洛伦兹力公式无法解释它,因为它並不依赖於宏观磁矩。
“如果把电子比作赛车,经典物理认为,赛车之所以转弯(產生霍尔电压),是因为受到了侧向的风(磁场/磁矩)。但现在,没有风,赛车却依然在疯狂转弯。”
“唯一的解释是——赛道本身就是弯的。”
“我要做的,就是画出这条看不见的『弯曲赛道』——也就是倒空间中的贝里曲率场。”
但这並不容易。
歷史上,虽然haldane在1988年就提出了这种无磁场的量子霍尔效应模型,並因此拿了诺奖,但他那是基於二维蜂窝状晶格的玩具模型。而mn?sn是一个真实的三维材料,拥有复杂的磁结构和自旋-轨道耦合。
要在这样一个拥有几百个电子、相互作用错综复杂的真实体系中,精確计算出那个微小的几何曲率,其难度无异於在波涛汹涌的大海中,寻找一滴水的旋转方向。
这也是为什么之前没人往这方面想的原因——计算量太大,且极易迷失在数以亿计的积分网格中。
……