（a） 串联加速器原理图。（b） Weyl半金属TaP的晶体结构。（c） TaP纵向磁阻的快速傅里叶变换。（d） 辐照效应对TaP能带结构的影响图示。图片来源：Applied Physics Reviews （2024）。DOI： 10.1063/5.0181361

量子材料——那些具有受量子力学原理（如相关性和纠缠）支配的电子特性的材料——在某些条件下可以表现出奇特的行为，例如无电阻传输电力的能力，称为超导性。然而，为了从这些材料中获得最佳性能，它们需要进行适当的调整，就像赛车也需要调整一样。

由麻省理工学院核科学与工程系（NSE）副教授李明达（Mingda Li）领导的一个团队展示了一种新的、超精确的方法来调整量子材料的特性，以这些材料中的一类特殊类别，即外尔半金属为例。

新技术不仅限于外尔半金属。“我们可以将这种方法用于任何无机散装材料，也可以用于薄膜，”NSE博士后Manasi Mandal坚持认为，他是最近发表在《应用物理评论》上的一篇开放获取论文的两位主要作者之一，该论文报道了该小组的发现。

论文中描述的实验集中在一种特定类型的Weyl半金属上，即磷化钽（TaP）晶体。材料可以根据其电气特性进行分类：金属很容易导电，而绝缘体则阻碍电子的自由流动。半金属介于两者之间。它可以导电，但只能在较窄的频段或信道中导电。

外尔半金属是更广泛的所谓拓扑材料的一部分，具有某些独特的特征。例如，它们拥有奇特的电子结构——扭结或称为外尔节点的“奇点”，它们是围绕单个点（按顺时针或逆时针方向配置）的漩涡图案，类似于头发螺旋或更一般的漩涡。

外尔节点的存在赋予了不寻常且有用的电气特性。拓扑材料的一个关键优势是，即使材料受到干扰，它们备受追捧的品质也可以得到保留，或者说是“拓扑保护”。

“这是一个很好的功能，”麻省理工学院电气工程和计算机科学系的博士生、该论文的另一位主要作者Abhijatmedhi Chotrattanapituk解释说。“当你试图制造这种材料时，你不必准确无误。你可以容忍一些不完美，一定程度的不确定性，材料仍然会按预期运行。

需要发生的“调谐”主要与费米能级有关，费米能级是电子在给定物理系统或材料中占据的最高能级。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。可以通过加水来提高该水平，也可以通过除去水来降低该水平。同样，人们可以通过简单地添加或减去电子来调整给定材料的费米能级。

为了微调Weyl半金属的费米能级，Li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（在本例中是通过用氢离子代替钽原子）称为掺杂。当达到最优掺杂时，费米能级将与外尔节点的能级重合。这时，材料所需的量子特性将得到最充分的实现。

对于Weyl半金属，费米能级对掺杂特别敏感。除非将该水平设置在接近外尔节点的位置，否则材料的属性可能会与理想状态大相径庭。这种极端敏感性的原因归因于Weyl节点的特殊几何形状。

如果将费米能级视为水库中的水位，那么外尔半金属中的水库的形状不像圆柱体;它的形状像沙漏，外尔节点位于该沙漏的最窄点或颈部。添加过多或过少的水会完全错过颈部，就像向半金属添加太多或太少的电子会完全错过节点一样。

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。为此目的选择氢离子是因为它们是可用的最小负离子，因此比更大的掺杂剂对材料的改变要小。

“使用先进的加速器技术可以实现比以往任何时候都更高的精度，将费米能级设置为毫电子伏特（电子伏特的千分之一）精度，”领导CSTAR实验室的首席研究科学家Kevin Woller说。“此外，高能束允许掺杂块状晶体，超出了只有几十纳米厚的薄膜的限制。

换句话说，该过程涉及用氢离子轰击样品，直到吸收足够数量的电子以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了？关键是你要调整材料，直到费米能级既不太低也不太高。

“你运行机器的时间越长，费米能级就越高，”Chotrattanapituk说。“困难在于，当样品在加速器室中时，我们无法测量费米能级。

处理这个问题的正常方法是将样品照射一定时间，将其取出，测量，然后在费米能级不够高时将其放回原处。“这实际上是不可能的，”曼达尔补充道。

为了简化协议，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首选水平，并将其转换为必须添加到样品中的负氢离子数量。然后，模型可以告诉他们样品应该在加速器室中保留多长时间。

Chotrattanapituk说，好消息是，他们的简单模型与受信任的传统模型相吻合，这些模型的计算量要大得多，可能需要访问超级计算机。

他指出，该小组的主要贡献是双重的：提供一种新的、基于加速器的精确掺杂技术，并提供一个可以指导实验的理论模型，告诉研究人员应该根据离子束的能量、曝光时间以及样品的大小和厚度向样品中添加多少氢。

Mandal指出，这可能为重大的实际进展铺平道路，因为他们的方法有可能在几分钟内使样本的费米能级达到所需的值——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伏精度。

Li认为，一种准确、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，费米能级几乎是一切，”他说。“我们寻求的许多效应和行为只有在费米能级处于正确的位置时才会显现出来。

例如，通过调整良好的费米能级，可以提高材料变得超导的临界温度。当费米能级设置得恰到好处时，将温差转换为电压的热电材料同样会变得更有效。精确调优也可能在量子计算中发挥有益的作用。

橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的高级科学家托马斯·扎克·沃德（Thomas Zac Ward）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，但人们仍然知之甚少。精确控制拓扑材料的费米能级的能力是一个重要的里程碑，可以帮助实现新的量子信息和微电子器件架构。

更多信息：Manasi Mandal 等人，通过快速离子注入在拓扑外尔半金属中精确费米能级工程，《应用物理评论》（2024 年）。DOI： 10.1063/5.0181361

期刊信息： Applied Physics Reviews