科学家在戈薇超导体内部发现了一个打破时间反转对称性的磁场。
戈薇图案是交错的三角形网络，在日本传统的编篮者和凝聚态物理学家中很有名。戈薇晶格中金属原子不寻常的几何形状以及由此产生的电子行为，使其成为探索奇异奇妙的量子现象的天堂，这些现象构成了下一代设备研究的基础。
一个关键的例子是非传统的——比如高温超导，它不遵循传统的超导定律。大多数超导材料在几开尔文的温度下显示出它们看似神奇的零电阻特性:这些温度对于大多数应用来说根本不现实。对于表现出所谓“高温”超导性的材料来说，这是一个很有吸引力的前景，这种材料的温度可以通过液氮冷却来实现(即使是在室温下)。寻找并合成具有非常规超导性的新材料成为凝聚态物理学家的圣杯——但要实现这一目标，我们需要对材料中的奇异和拓扑电子行为有更深入的了解。
长期以来，人们一直在争论一种不寻常的电子输运行为，这种行为导致了循环电荷的自发流动，这是高温超导的前兆，也是另一种神秘现象背后的机制:量子反常霍尔效应。邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)因对物质拓扑相变和拓扑相的理论发现，获得2016年诺贝尔物理学奖。这种拓扑效应出现在一些二维电子材料中，与即使没有外磁场也能产生电流有关。理解量子反常霍尔效应不仅对基础物理有重要意义，对新电子和新器件的潜在应用也有重要意义。现在，一个由瑞士保罗舍勒研究所(PSI)领导的国际合作组织发现了支持这种难以捉摸的电子传输行为的有力证据。
由PSI介子自旋光谱实验室的研究人员领导的团队发现了一个微弱的内部磁场，这表明在一个相关的Kagome超导体中存在一种奇怪的电荷排序。这些磁场打破了所谓的时间反转对称性，时间反转对称性是对称性的一种，也就是说无论你向前还是向后看一个系统，物理定律都是一样的。
打破时间反转对称磁场的一个自然解释是一种新的电荷排序。电荷有序化可以理解为通过晶格对电子密度的周期性调制以及原子重排为更高级(超晶格)结构。研究小组将他们的研究重点放在了Kagome晶格上，KV3Sb5，它在2.5开尔文以下是超导的。在大约80开尔文的高临界温度以下，在这种材料中观察到了巨大的量子反常霍尔效应，这是以前无法解释的。在这个80开尔文左右的临界温度以下，有一个奇怪的电荷排序，叫做“电荷排序温度”。
被发现打破时间反转对称性的磁场意味着一种不寻常的电荷序，电流在Kagome晶格的晶胞周围运动，称为“轨道电流”。这些产生的磁性由原子晶格中电子的扩展轨道运动所支配。
带领团队的通讯记者祖拉布·古古奇亚(Zurab Guguchia)解释说:“这一现象的实验实现极具挑战性，因为显示轨道电流的材料非常罕见，特征信号往往太弱而无法被探测到。”
虽然之前的研究已经显示了超导温度以下时间反转对称性的破缺，但这是时间反转对称性被电荷序破缺的第一个例子。这意味着这个假定的外电荷序属于物质的新量子阶段。
非常有说服力的证据
为了找到长期存在争议的“轨道电流”，物理学家使用高灵敏度的μSR(μSR)来探测它们将产生的微弱且具有暗示性的磁信号。样品中注入的介子可以作为材料内部磁场的局域高灵敏度磁探针，从而可以探测到小到0.001 mW的磁场。在存在内部磁场的情况下，μ子的自旋会去极化。μ子衰变为高能正电子，正电子沿μ子自旋方向发射，携带了局域环境中μ子自旋极化的信息。
研究人员观察到，当温度降至80K(电荷排序温度)以下时，磁信号会发生系统性变化。使用PSI世界上最先进的μSR设施，可以施加高达9.5特斯拉的磁场，研究团队可以使用外部高磁场来增强微小内部磁场的转化，为磁场是由内部轨道电流引起的提供更强有力的证据。
“我们首先在没有外部磁场的情况下进行了实验，”古古奇亚博士解释道。“当我们看到系统的转变出现在电荷分选温度以下时，我们感到非常有动力继续下去。但是后来我们施加高场，促进了这个电子反应，我们就很高兴了。这是一个非常非常有说服力的证据，长期以来一直难以捉摸。”
对非常规超导和量子反常霍尔效应的深入理解
这项研究可以说是为长期争论的“轨道电流”确实存在于Kagome材料KV3Sb5中提供了最强有力的证据。理论表明量子反常霍尔效应源于“轨道电流”。因此在一些表现出惊人大量子反常霍尔效应的非常规超导体中提出了“轨道电流”。即石墨烯、铜酸盐和戈薇晶格，但直到现在也没有实际证据证明它们的存在。
打破时间反转对称的磁场的发现意味着轨道电流——以及产生它们的奇怪电荷排序——为物理学和下一代设备的研究打开了一条奇怪的道路。轨流被认为在包括高温超导在内的各种非常规传输现象的机理中起着基础作用，其应用范围包括电力传输和磁悬浮列车。轨道电流的概念也构成了轨道电子学的基础——一个利用轨道自由度作为固态设备信息载体的领域。