在较高温度下（左），外尔半金属晶格保持其对称性。在较低温度下（右图），局部对称性会被破坏，如原子位移和晶格畸变所描述的那样，这改变了半金属的磁性。图片来源：Phoenix Pleasant/ORNL，美国能源部

最早的材料科学家可能是早期人类，他们通过试错实验发现了第一批“尖端”技术。他们发现，最好的箭头和其他工具可以由某些类型的天然结构材料制成，当时包括石头和动物骨头。

今天，许多最有前途的新材料都是“功能化”的，这意味着它们通常是在原子尺度上精心设计和合成的。

在橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory），一组科学家使用中子散射技术来研究一种相对较新的功能材料，称为外尔半金属。这种晶体材料拥有低能准粒子，这些准粒子是被视为粒子的原子级特性。这些外尔费米子在材料中移动得非常快，并且可以在室温下携带电荷。科学家认为，如果将Weyl半金属用于未来的电子产品中，可以使电力更有效地流动，并使计算机和其他电子设备更加节能。

ORNL团队研究了一种基于钴的磁性Weyl半金属，该半金属具有特殊的晶体结构 - Kagome晶格 - 在某些条件下可以自发地转变为磁铁。这种铁磁性材料的原子自旋通常沿同一方向排列，这种特性称为磁对称性。

“我们的实验表明，当这种半金属达到它转变为磁铁的点时，磁对称性会发生变化或破裂。与材料的整体平均对称性相比，这伴随着局部区域中原子位置的同时变化，“ORNL散裂中子源（SNS）的中子科学家Qiang Zhang说，他也是发起这项研究的通讯作者。

“发现Weyl半金属中局部对称性破坏的存在对于理解这种材料和其他功能材料的磁性和量子特性至关重要。

确定半金属晶体结构的结构复杂性涉及在ORNL的多个中子仪器上对晶体样品进行实验。在SNS上，HYSPEC混合光谱仪用于测量晶体中的磁性顺序，POWGEN粉末衍射仪用于确定原子的排列和温度对样品的影响。在ORNL的高通量同位素反应堆（HFIR）上使用PTAX三轴偏振中子谱仪，该团队对样品的自旋排列获得了更灵敏的观察结果。

“中子散射实验，加上我们的数据建模技术，可以为我们提供关于原子如何排列以及它们如何相互作用的想法，”ORNL的Yuanpeng Zhang说，他是开发中子散射数据减少和分析软件工具的通讯作者和专家。

“我们报告的关于Weyl半金属系统的结果以及来自中子结构研究的许多其他报告已经证实，局部对称性破坏在确定各种功能材料的性质方面起着重要作用，例如在储能应用和磁性系统中。

科学家们预计，未来对这些材料的研究将导致控制外尔半金属中局部磁对称的方法，以改变材料所需的物理特性，以用于工程磁性设备。

该团队包括来自ORNL中子散射部门，材料科学与技术部门和Shull Wollan中心的研究人员。这一结果是由Qiang Zhang领导的一项研究的另一个重要发现，此前有一篇关于材料中自旋之间异常耦合的报告。