Weyl半金属是一类具有特殊电子结构的材料，因其在费米面上仅存在Weyl点，成为了研究热点。Weyl半金属具有独特的电磁响应和拓扑性质，广泛应用于自旋电子学、光电子学及量子计算等领域。然而，现有的Weyl半金属大多为金属导电，且存在大量不相关的电子态，这些态往往掩盖了Weyl费米子的独特性质，限制了其在新型器件中的应用。特别是，现有材料中的Weyl费米子常常与传统金属电子共存，导致研究和应用面临挑战。为了解决这一问题，科学家们提出通过化学掺杂和磁性调控等手段，设计具有纯Weyl点费米面的材料。
成果简介有鉴于此，东京大学 Yoshinori Tokura团队、Ilya Belopolski等人在Nature期刊上发表了题为“Synthesis of a semimetallic Weyl ferromagnet with point Fermi surface”的最新论文。
研究者们通过化学工程在半导体Bi₂Te₃中掺入铬元素（Cr），成功实现了半金属Weyl铁磁体（Cr,Bi）₂Te₃。该材料的费米面完全由Weyl点组成，不含不相关的电子态，呈现出独特的半金属特性。通过先进的晶体合成技术，研究者们能够调控材料的电子结构，展示了一个独特的拓扑相图，包括切尔恩绝缘体、Weyl半金属和磁性半导体区域。
实验结果表明，该材料具有创纪录的反常霍尔角以及非金属导电性，验证了Weyl态的存在，并为新的自旋电子学和光学器件提供了理论依据和实验支持。这一研究为实现零磁场下的Weyl自旋电子器件开辟了新的方向。
1. 实验首次实现了通过化学掺杂将半导体（Cr,Bi）₂Te₃转变为磁性Weyl半金属，得到了具有独特电子结构的材料。
2. 实验通过对（Cr,Bi）₂Te₃的电子结构测量，发现其费米面完全由Weyl点组成，并且该材料处于无载流子浓度和无能隙的极端半金属状态。
3. 通过对材料的反常霍尔效应研究，实验获得了创纪录的体反常霍尔角大于0.5，展示了明显区别于传统铁磁体的非金属导电性。
4. 结合对称性分析和实验数据，研究表明该材料的费米面由两个Weyl点组成，且Weyl点的分离距离超过了体布里渊区线性尺寸的75%。
5. 通过先进的晶体合成技术，研究人员成功调控了（Cr,Bi）₂Te₃的电子结构，消除了Weyl态并绘制了一个独特的拓扑相图，展示了切尔恩绝缘体、Weyl半金属和磁性半导体区域。
图文解读
图1：在（Cr,Bi）₂Te₃中的Weyl传输半金属
图2：半金属Weyl态的可调性
图3：拓扑相图的实验可视化
图4：Weyl点大分离和大反常霍尔角
结论展望本文的研究揭示了（Cr,Bi）₂Te₃作为一种半金属Weyl量子材料的独特性质，展示了其在拓扑相图中的多相性，包括Weyl半金属、切尔恩绝缘体和磁性半导体。这一发现不仅为拓扑物质研究提供了新的视角，还为理解Weyl点费米面在材料中的表现提供了理论依据。
通过系统的传输测量和化学成分依赖性实验，本文还揭示了Weyl点的巨大分离、巨大的霍尔角以及非常规的电磁响应，展现了Weyl半金属平台的高度可调性。这一结果对于将Weyl费米子引入到器件架构中，推动量子计算和新型电子器件的研发具有重要意义。
与此同时，本文对于如何将理论模型与实验结果进行有效关联提供了重要示范，尤其是在拓扑相空间的探索和相图的可视化方面。这些发现为进一步研究Weyl物质的量子效应，特别是费米液体理论的突破和费米速度的重整化，开辟了新的实验和理论路径。
文献信息Belopolski, I., Watanabe, R., Sato, Y. et al. Synthesis of a semimetallic Weyl ferromagnet with point Fermi surface. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08330-y
