普林斯頓大學的科學家發(fā)現(xiàn)了一種可調(diào)諧的新型物質(zhì)量子態(tài)

由普林斯頓物理學家ZahidHasan領導的一個國際研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種新的物質(zhì)量子態(tài)，可以用弱磁場隨意操縱，這為下一代納米或量子技術開辟了新的可能性。Hasan實驗室的研究人員包括(左起)：Jia-XinYin、ZahidHasan、SongtianSoniaZhang、DanielMulter、MaksimLitskevich和GuoqingChang。

量子粒子很難表征，如果它們彼此強烈相互作用，則幾乎無法控制——直到現(xiàn)在。

由普林斯頓物理學家ZahidHasan領導的一個國際研究小組發(fā)現(xiàn)了一種可以隨意“調(diào)整”的物質(zhì)量子態(tài)——它的可調(diào)性是現(xiàn)有理論所能解釋的10倍。這種可操作性水平為下一代納米技術和量子計算開辟了巨大的可能性。

“我們?yōu)榱孔油負涫澜缯业搅艘粋€新的控制旋鈕，”尤金希金斯物理學教授哈桑說。“我們預計這只是冰山一角。將會有一個新的材料或物理學子領域由此產(chǎn)生。……這將是納米級工程的絕佳游樂場。”

Hasan和他的同事將他們的研究成果發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上，他們將他們的發(fā)現(xiàn)稱為“新的”物質(zhì)量子態(tài)，因為現(xiàn)有的材料特性理論無法解釋它。

Hasan對超越已知物理學邊界的興趣吸引了博士后研究員、該論文的三位共同第一作者之一尹嘉欣來到他的實驗室。尹說，其他研究人員曾鼓勵他解決現(xiàn)代物理學中的一個明確問題。

“但當我與哈桑教授交談時，他告訴了我一些非常有趣的事情，”尹說。“他正在尋找物質(zhì)的新相。這個問題是不確定的。我們需要做的是尋找問題而不是答案。”

物質(zhì)的經(jīng)典相——固體、液體和氣體——產(chǎn)生于原子或分子之間的相互作用。在物質(zhì)的量子相中，相互作用發(fā)生在電子之間，而且要復雜得多。

“這確實可能是物質(zhì)新量子相的證據(jù)——這對我來說是令人興奮的，”加州理工學院物理學教授、2009年獲得博士學位的DavidHsieh說。畢業(yè)于普林斯頓大學，未參與本研究。“他們提供了一些線索，表明可能正在發(fā)生一些有趣的事情，但需要做大量的后續(xù)工作，更不用說一些理論支持，以了解真正導致他們所看到的事情的原因。”

Hasan一直在拓撲材料的開創(chuàng)性子領域工作，這是凝聚態(tài)物理學的一個領域，他的團隊幾年前在該領域發(fā)現(xiàn)了拓撲量子磁體。在目前的研究中，他和他的同事“發(fā)現(xiàn)了一種我們可以在量子水平上控制的新型拓撲磁體的奇怪量子效應，”哈桑說。

關鍵不在于觀察單個粒子，而在于觀察它們在磁場存在下相互作用的方式。哈桑說，一些量子粒子，比如人類，單獨行動與在社區(qū)中行動不同。“你可以研究粒子基本原理的所有細節(jié)，但無法預測當你將它們放在一起并且它們開始相互強烈相互作用時會出現(xiàn)的文化、藝術或社會，”他說。

為了研究這種量子“文化”，他和他的同事們以許多不同的模式在晶體表面排列原子，并觀察發(fā)生了什么。他們使用了由中國、臺灣和普林斯頓的合作小組準備的各種材料。一種特殊的排列，一種稱為“kagome格子”的六重蜂窩形狀，與日本籃子編織圖案相似，導致了一些令人吃驚的事情——但只有在存在強磁場的情況下在分光顯微鏡下檢查時，設備才發(fā)現(xiàn)在哈桑的拓撲量子物質(zhì)和高級光譜學實驗室，位于普林斯頓賈德溫大廳的地下室。

當研究人員將外部磁場轉(zhuǎn)向不同方向(用箭頭表示)時，他們會改變kagome(六倍)磁鐵上方的線性電子流的方向，如拓撲表面上的這些電子波干涉圖案所示量子戈薇磁鐵。每個圖案都是由施加在樣品上的特定方向的外部磁場產(chǎn)生的。

圖片由MZHasan、Jia-XinYin、SongtianSoniaZhang提供，普林斯頓大學

所有已知的物理學理論都預測電子會遵循六重基本模式，但相反，盤旋在原子上方的電子決定走向自己的鼓手——以直線，具有雙重對稱性。

“電子決定重新定位自己，”哈桑說。“他們忽略了晶格對稱性。他們決定在一條線上這樣那樣跳來跳去比側(cè)身跳更容易。所以這是新的領域。......電子可以忽略晶格并形成自己的社會。

加州理工學院的Hsieh指出，這是一種非常罕見的效果。他說，“我一只手就能數(shù)出”顯示出這種行為的量子材料的數(shù)量。

Hasan實驗室的研究生、該論文的另一位共同第一作者SongtianSoniaZhang說，研究人員對這種雙重排列感到震驚。“我們曾期望找到六倍的東西，就像在其他拓撲材料中一樣，但我們發(fā)現(xiàn)了一些完全出乎意料的東西，”她說。“我們一直在調(diào)查——為什么會這樣?——而且我們發(fā)現(xiàn)了更多意想不到的事情。這很有趣，因為理論家們根本沒有預測到它。我們剛剛發(fā)現(xiàn)了一些新東西。”

電子與原子排列之間的解耦已經(jīng)足夠令人驚訝了，但隨后研究人員應用了磁場，發(fā)現(xiàn)他們可以將那條線轉(zhuǎn)向他們選擇的任何方向。在不移動晶格的情況下，張可以僅通過控制電子周圍的磁場來旋轉(zhuǎn)電子線。

“索尼婭注意到，當你施加磁場時，你可以重新定位他們的文化，”哈桑說。“對于人類，你無法輕易改變他們的文化，但在這里，她似乎可以控制如何重新定向電子的多體文化。”

研究人員還不能解釋原因。

“磁場對材料的電子特性產(chǎn)生如此巨大的影響是罕見的，”哈佛大學HerchelSmith物理學教授兼物理系主任SubirSachdev說，他沒有參與這項研究。

比這種稱為各向異性的解耦更令人驚訝的是效應的規(guī)模，它比理論預測的大100倍。物理學家用一個稱為“g因子”的術語來表征量子級磁性，該術語沒有單位。真空中電子的g因子已被精確計算為略大于2，但在這種新型材料中，研究人員發(fā)現(xiàn)當電子彼此強烈相互作用時，有效g因子為210。

“沒有人在拓撲材料中預測到這一點，”哈桑說。

“根據(jù)現(xiàn)有的量子材料理論，我們可以計算出很多東西，但這篇論文令人興奮，因為它顯示了一種未知的效應，”他說。這對納米技術研究具有重要意義，尤其是在開發(fā)傳感器方面。在量子技術的規(guī)模上，將拓撲學、磁性和超導性結(jié)合起來的努力一直受到微小材料的低有效g因子的阻礙。

“事實上，我們發(fā)現(xiàn)了一種具有如此大有效g因子的材料，這意味著適度的磁場可以對系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響——這是非常可取的，”Hasan說。“這種巨大且可調(diào)諧的量子效應為新型量子技術和納米技術開辟了可能性。”

這一發(fā)現(xiàn)是在JadwinHall的地下室中使用稱為掃描隧道分光顯微鏡的兩層多組件儀器進行的，該儀器與可旋轉(zhuǎn)矢量磁場功能結(jié)合使用。分光顯微鏡的分辨率不到原子大小的一半，可以掃描單個原子并檢測其電子的細節(jié)，同時測量電子的能量和自旋分布。該儀器被冷卻到接近絕對零，并與地板和天花板分離，以防止甚至原子大小的振動。

Hasan描述了掃描隧道分光顯微鏡的作用，它的分辨率不到原子大小的一半。該儀器位于普林斯頓JadwinHall的拓撲量子物質(zhì)和高級光譜學實驗室，在那里它被冷卻到0.4開爾文，并與地板和天花板分離，以防止甚至原子大小的振動。

“我們將降至0.4開爾文。它比2.7開爾文的星際空間更冷，”哈桑說。“不僅如此，樣本所在的管子——我們在該管子內(nèi)創(chuàng)造了一個比地球上層大氣薄一萬億倍以上的真空條件。實現(xiàn)當前實驗所需的多組分儀器的這些微調(diào)操作條件大約需要五年時間，”他說。

“我們所有人，當我們研究物理時，我們都在尋找事物究竟是如何運作的，”張說。“這一發(fā)現(xiàn)讓我們對此有了更多的了解，因為它太出乎意料了。”

通過尋找一種新型的量子組織，張和她的同事正在“為推進知識前沿做出直接貢獻——在這種情況下，沒有任何理論預測，”Hasan說。“我們的實驗正在推進知識前沿。”

該團隊包括普林斯頓物理系的眾多研究人員，包括現(xiàn)任和過去的研究生SongtianSoniaZhang、IlyaBelopolski、TylerCochran和SuyangXu;以及現(xiàn)任和過去的博士后研究員Jia-XinYin、GuoqingChang、HaoZheng、GuangBian和BiaoLian。其他合著者有李航、姜坤、張冰晶、項翔、劉凱、張?zhí)s、林欣、陸忠義、王自強、賈爽和王文紅。