美国波士顿学院的一名物理学家和其同事使用了一种被称为Kagome磁体的量子材料，他们直接测量了这种新型材料中的单个电子量子态如何通过以不寻常的方式转移能量来响应外部磁场。

该研究团队还与中国人民大学的科学家进行了合作，这个项目是此类测量中首次直接测量了这些量子态的动量分辨、场诱导演化。他们的研究成果发表在最近的《自然·物理学》杂志网络版上。

根据波士顿学院物理学副教授、该报告的共同作者Ilija Zeljkovic的说法，这些发现提供了有关电子能带结构如何在这些新型材料中发生变化的理论预测的首次实验证明。在他们的实验中使用的是钇锰锡YMn₆Sn₆的块状单晶。

Zeljkovic说：“当向材料施加磁场时，电子能带结构——固体中的电子可以占据的量子态的集合——会以不同寻常的方式发生变化。迄今为止，这些变化是从理论计算中推断出来的，或者是从场引起的宏观可测量特性的变化里间接获得的。直接测量由场引起的电子能带结构的变化一直很难。”

该团队克服了通过光谱成像扫描隧道显微镜研究材料的实验挑战。Kagome磁体(如该团队研究的YMn₆Sn₆)之所以如此命名，是因为它们具有磁性和类似于日本“kagome”编织篮结构的原子晶格。

Kagome磁体含有所谓的狄拉克费米子，Zeljkovic解释说这是一种准粒子，其特征是质量为零，且在电子能带结构中具有类似于相对论粒子(速度接近光速的粒子)的线性能量-动量色散。

Zeljkovic的同事、该文章合著者、波士顿学院物理学教授Ziqiang Wang等理论物理学家在数学上表明，从能量和动量的角度来看，狄拉克费米子可能会随着磁场的变化而演化。

于是，该团队着手检验这些预测。该研究小组发现，与狄拉克费米子相关的量子态对磁场有强烈的反应，无论磁场的方向如何它都会转移到更高的能量上。

Zeljkovic说：“有趣的是，它们表现出与动量相关的变化：对于一个固定的磁场，狄拉克点附近的量子态变化最大；远离狄拉克点，这种变化逐渐变小。”狄拉克点是能量-动量空间中导带和价带接触的点。

Zeljkovic说，我们期望在没有磁场的情况下，该系统将拥有没有质量(或质量为零)的狄拉克费米子，它是基于主要位于平面内的自旋方向。但相反，该团队得到了令人惊讶的观察：在零磁场下，这种材料中的狄拉克费米子质量有限。但他们还不清楚为什么会发生这种情况，这将是一个有待理论学家进一步探索的问题。(编译:Qtech)