全新未知量子態(tài)

Liz Fuller-Wright 李雨蒙

物質(zhì)的經(jīng)典形態(tài)，如固體、液體和氣體，都是來自于原子或分子的相互作用。量子態(tài)中，電子之間產(chǎn)生的相互作用則更為復雜。最近，美國普林斯頓大學Zahid Hasan團隊與中國科學院物理研究所聯(lián)合發(fā)現(xiàn)了一種新型量子態(tài)，被稱為是可以“任意調(diào)節(jié)”——超過現(xiàn)有量子理論10倍的可調(diào)節(jié)度，這樣的可操作性為新一代的納米技術(shù)和量子計算創(chuàng)造了巨大的可能性。

論文第一作者Hasan教授認為：“我們找到了打開量子拓撲世界的一個新按鈕，希望這只是冰山的一角，未來將由此衍生出更多新的分支材料科學或物理學，納米工程將受益深遠?！?/p>

Hasan教授和他的同事們稱這項發(fā)現(xiàn)為“小說般的量子態(tài)”，因為以現(xiàn)存的材料性質(zhì)理論是無法解釋這一現(xiàn)象的。為研究量子“文化”，研究人員以多種不同模型排列的晶體表面的原子，進行觀察。他們使用了由中國和普林斯頓研究團隊提供的多種材料。

其中有一種特殊的被稱為“竹籠形晶格”（Kagome）的六折式蜂窩形，晶格類似于日本筐籃編織的模型，由交錯排列的三角形組成，而每個頂點連接了兩個相鄰六角形。晶格只有在具有強大磁場的光學顯微鏡下才能夠發(fā)現(xiàn)它，觀察用的顯微鏡是由Hasan實驗室專門為拓撲量子態(tài)和光譜學研究設(shè)計的。Hasan與論文共同作者在自然雜志中稱這一物質(zhì)為“新型量子態(tài)”。

這項研究的關(guān)鍵不是觀察單個的粒子，而是在磁場中粒子間相互作用的方式。就如同人類，是獨立且各異地生活著，而不是以集體的方式出現(xiàn)。Hasan認為：“你可以研究粒子基本原理中的所有細節(jié)，但卻無法了解其背后的文化、藝術(shù)或社會現(xiàn)象，當它們?nèi)诤显谝黄穑舜碎g發(fā)生強烈的影響時，才能夠觀察其中獨特的現(xiàn)象?！?/p>

所有已知的物理學理論預(yù)測的電子，都是附著于“六折模式”的排列中，而此次的新材料中，電子懸浮于原子上方，以“直線兩折對稱”的形式排列。Hasan教授解釋到：“電子重新調(diào)整自身，忽略了晶格對稱，以直線排列進行跳躍比側(cè)邊排列更加簡單，進而形成了它們自己的‘社會，使得這項研究成為了物理學中真正的前沿?！?/p>

原本，在電子和原子排列間出現(xiàn)的解耦（Decoupling）已經(jīng)足以令人震驚，但隨后研究人員運用磁場后發(fā)現(xiàn)，它們可以改變?nèi)我环较虻碾娮泳€條。在不移動晶格的情況下，通過控制電子周圍的磁場就可以旋轉(zhuǎn)電子直線。Hasan表示：“通過運用磁場，我們可以再次改變電子的‘文化”。目前，研究者們還無法解釋這種現(xiàn)象的成因。

在此之前，Hasan團隊一直致力于拓撲材料領(lǐng)域的研究，在幾年前曾發(fā)現(xiàn)了量子拓撲磁體（Topological quantum magnets）。而此次，研究團隊也猜測這種新型量子態(tài)，與材料電子結(jié)構(gòu)中的拓撲特性有所關(guān)聯(lián)。相比這種名為非均向性（Anisotropy）的解耦現(xiàn)象，更令人驚訝的是效應(yīng)所產(chǎn)生的規(guī)模，其規(guī)模較理論預(yù)期高出100多倍。物理學家使用沒有單位的“g因素”來形容量子級的磁力。

真空中一個電子的g因素被精確計算，略多于2，但在新型材料中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個有效g因素有效值為210，其中的電子相互強烈作用。這對于納米技術(shù)的研究將產(chǎn)生積極的影響，特別是在傳感器的研究中。在規(guī)?；牧孔涌萍贾?，有些材料中低效的g因素會極大阻礙拓撲量子、磁力和超導力三者的有效結(jié)合，而一種具有高效 g 因素的材料意味著，只要結(jié)合一定的磁場，就能在系統(tǒng)中發(fā)揮顯著的作用，為未來的量子和納米技術(shù)發(fā)展提供了更多的可能性。

這一發(fā)現(xiàn)由一個兩層式多部件的儀器完成，稱為“掃描隧道光譜顯微鏡”，在外置旋轉(zhuǎn)矢量磁場中運行。光譜顯微鏡的分辨率小于一半的原子大小，這使它能夠掃描單個原子并檢測原子中的細節(jié)，同時測量電子的能量和自旋分布。儀器的溫度被冷卻至接近絕對零度，在地板和天花板之間解耦分離，以防止任何即使是原子大小的震動。

Hasan表示：“儀器冷卻至0.4開爾文，比星際空間2.7開爾文還要更冷。研究人員為實驗管道創(chuàng)造了真空環(huán)境，比地球高空大氣還要薄約1萬億倍。我們花費5年時間打造這個完備的管道，用以操作實驗所需的多組件儀器。

Hasan 實驗室的一名研究生，Songtian Sonia Zhang表示：“研究人員們都震驚于發(fā)現(xiàn)了這種‘雙折排列，我們原本是期望找到一種六折的排列形式，就像其他拓撲材料中存在的排列形式那樣。沒想到的是，我們竟然發(fā)現(xiàn)了一些完全出乎意料的新東西，這是那些理論學家們完全沒有預(yù)料到的，這真是太神奇了。”哈佛大學物理學教授Subir Sachdev認為：“磁場對一種材料的電子特性產(chǎn)生如此強烈的影響，是極為罕見的，能有這樣效果的材料不超過一巴掌。這是一種在量子層面可控的、量子拓撲磁體上的一種奇特量子效應(yīng)?！?/p>

不同磁場角度對應(yīng)不同電子態(tài)構(gòu)型，量子信息能夠被電測量采集識別。Hasan表示：“納米或量子計算機技術(shù)需要磁電之間的轉(zhuǎn)換，我們的這個發(fā)現(xiàn)意味著這實現(xiàn)了高效磁電轉(zhuǎn)換新的突破方向。這些量子信息可以被電測量采集識別，比起常規(guī)的磁電轉(zhuǎn)換器件，一方面有大幅度提升（可能會提高容錯率），另一方面增加了新的調(diào)控維度即多重空間角度。所以進一步開發(fā)這項技術(shù)，有可能實現(xiàn)磁電量子信息的高效讀取與編譯。

實驗室研究生Songtian Sonia Zhang表示：“當我們研究物理學時，所有人都在尋找物質(zhì)究竟是如何工作的，而此次的發(fā)現(xiàn)著實豐富了我們的科學研究視角，希望未來能夠發(fā)現(xiàn)更大的電磁響應(yīng)或其他衍生現(xiàn)象?！?/p>

編譯自普林斯頓大學官網(wǎng)

（責任編輯 姜懿翀）