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Kagome,日语:笼目,指一种传统的日本编织竹纹。它的名称由kago(意为“笼子”或“篮子”)和me(意为“目”或“眼睛”)组成,即意指编织篮中的孔眼图案。这种笼目图案的编织在中国也四处可见。
Kagome笼目编织篮
Kagome笼目图案在几何学中称为截半六边形镶嵌,是由正六边形和正三角形组成的一种平面密铺,每一个顶点周围都各有2个正六边形和2个正三角形,使得两个条目相交的每个点都具有四个规则的相邻点。
Kagome笼目图案及其几何表示
术语:笼目晶格,英语:kagome lattice,由著名日本物理学家Kdi Husimi(日语:伏见康治)1951年提出。伏见康治曾任日本科学理事会理事长,图论中有以他命名的Husimi树,量子力学中有以他命名的Husimi Q表示,以及在纸折叠数学中有以他命名的Husimi定理。
一些物质包含二维或三维的笼目晶格的晶体结构,表现出新颖的物理性质。例如,Co2MnGa化合物中的磁性离子的自旋排列位于一个笼目晶格中,表现出令人着迷的磁性。已发现在笼目晶格上实现的量子磁体表现出许多出乎意料的电磁性现象,这种磁体故称为笼目铁磁体(kagome ferromagnet)、或磁性化合物(magnetic compound)、或铁磁性化合物(ferrimagnetic compounds)。
发表在最近一期的《科学进展》上的研究论文中,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员发现,在掺有钌的磁性铀化合物中具有很强的热电磁特性,表现出了巨大的异常能斯特效应,达到了创纪录的能斯特电导率。
由垂直方向施加的磁场中的温度梯度产生的横向电压,这称为能斯特效应,有望用于热电应用和探测电子结构。在磁性材料中,零磁场中可能会出现异常的能斯特效应(anomalous Nernst effect,ANE)。
电子既携带热量又携带电荷,所以一个电子的传输必定与另一个电子有关。热电应用旨在通过将热量或电荷的流动转换成电压或温度梯度。当有磁场时,横向响应是可能的,所以认为,据此可以允许有效地将热量转化为电能。然而,在常规材料中,横向异常能斯特效应的幅度太小,无法实现实用的热电器件。
该研究发现,在掺有钌的铀钴铝体系中,大的自旋轨道耦合和强的电子相关性导致了巨大的反常能斯特电导率。铀和锕系元素合金是研究材料拓扑与强电子相关性之间相互作用的有前途的材料,有朝一日会在量子信息技术中得到应用。
该研究表明,磁性铀化合物具有很强的热电特性,其热量产生的横向电压是钴锰镓化合物中以前记录的四倍。这一结果为元素周期表底部的锕系元素开辟了新的潜力,并为拓扑量子材料的研究指明了新的方向。
洛斯阿拉莫斯国家实验室材料科学研究所所长、研究主导、菲利普·罗宁(Filip Ronning)表示,“我们发现掺钌的铀钴铝体系中的大自旋轨道耦合和强电子相关性导致了巨大的能斯特电导率异常,” “它表明铀和锕系合金是研究材料拓扑与强电子相关性之间相互作用的有前途的材料。我们对理解、调整和最终控制这种相互作用非常感兴趣,因此希望有一天我们可以利用其中的一些出色的回应。”
当材料将热流转换成电压时所发生的能斯特响应的这一热电现象可用于从热源发电的设备中。当前最著名的例子,是在洛斯阿拉莫斯实验室所开发的放射性同位素热电发电机(radioisotope thermoelectric generators,RTG)。该发电机使用钚-238的天然放射性衰变产生的热量来发电,目前正在火星上行走的恒心号漫游车的供电就是来源于一种这样的发电机。
恒心号漫游车的发电系统
罗宁说:“令人兴奋的是,这种巨大的异常能斯特效应似乎是由于材料丰富的拓扑而引起的。这种拓扑是由锕系元素中常见的大自旋轨道耦合产生的。” “金属拓扑结构的一个结果是产生了横向效应,这会引起能斯特反应,正如我们观察到的那样。它还会产生其它效应,例如可能在各种量子信息技术中有用的新型表面态。”
洛斯阿拉莫斯小组研究的铀化合物每开尔文产生的温度变化为23微伏,比以前的记录大四倍,该记录是几年前在Co2MnGa的钴锰镓合金中发现的,也归因于这种拓扑起源。
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