普林斯頓大學(xué)的科學(xué)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(xué)家ZahidHasan領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新的物質(zhì)量子態(tài)，可以用弱磁場(chǎng)隨意操縱，這為下一代納米或量子技術(shù)開辟了新的可能性。Hasan實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(xué)家ZahidHasan領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)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(shù)和量子計(jì)算開辟了巨大的可能性。

“我們?yōu)榱孔油負(fù)涫澜缯业搅艘粋€(gè)新的控制旋鈕，”尤金希金斯物理學(xué)教授哈桑說。“我們預(yù)計(jì)這只是冰山一角。將會(huì)有一個(gè)新的材料或物理學(xué)子領(lǐng)域由此產(chǎn)生。……這將是納米級(jí)工程的絕佳游樂場(chǎng)。”

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?yàn)楝F(xiàn)有的材料特性理論無法解釋它。

Hasan對(duì)超越已知物理學(xué)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(shí)驗(yàn)室。尹說，其他研究人員曾鼓勵(lì)他解決現(xiàn)代物理學(xué)中的一個(gè)明確問題。

“但當(dāng)我與哈桑教授交談時(shí)，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(gè)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(fù)雜得多。

“這確實(shí)可能是物質(zhì)新量子相的證據(jù)——這對(duì)我來說是令人興奮的，”加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、2009年獲得博士學(xué)位的DavidHsieh說。畢業(yè)于普林斯頓大學(xué)，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(dǎo)致他們所看到的事情的原因。”

Hasan一直在拓?fù)洳牧系拈_創(chuàng)性子領(lǐng)域工作，這是凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域，他的團(tuán)隊(duì)幾年前在該領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了拓?fù)淞孔哟朋w。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?fù)浯朋w的奇怪量子效應(yīng)，”哈桑說。

關(guān)鍵不在于觀察單個(gè)粒子，而在于觀察它們?cè)诖艌?chǎng)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(dú)行動(dòng)與在社區(qū)中行動(dòng)不同。“你可以研究粒子基本原理的所有細(xì)節(jié)，但無法預(yù)測(cè)當(dāng)你將它們放在一起并且它們開始相互強(qiáng)烈相互作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)的文化、藝術(shù)或社會(huì)，”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(guó)、臺(tái)灣和普林斯頓的合作小組準(zhǔn)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(dǎo)致了一些令人吃驚的事情——但只有在存在強(qiáng)磁場(chǎng)的情況下在分光顯微鏡下檢查時(shí)，設(shè)備才發(fā)現(xiàn)在哈桑的拓?fù)淞孔游镔|(zhì)和高級(jí)光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)室，位于普林斯頓賈德溫大廳的地下室。

當(dāng)研究人員將外部磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向不同方向(用箭頭表示)時(shí)，他們會(huì)改變kagome(六倍)磁鐵上方的線性電子流的方向，如拓?fù)浔砻嫔系倪@些電子波干涉圖案所示量子戈薇磁鐵。每個(gè)圖案都是由施加在樣品上的特定方向的外部磁場(chǎng)產(chǎn)生的。

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

所有已知的物理學(xué)理論都預(yù)測(cè)電子會(huì)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(duì)稱性。

“電子決定重新定位自己，”哈桑說。“他們忽略了晶格對(duì)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(lǐng)域。......電子可以忽略晶格并形成自己的社會(huì)。

加州理工學(xué)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(shí)驗(yàn)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(duì)這種雙重排列感到震驚。“我們?cè)谕业搅兜臇|西，就像在其他拓?fù)洳牧现幸粯?，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(huì)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?yàn)槔碚摷覀兏緵]有預(yù)測(cè)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(yīng)用了磁場(chǎng)，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(dòng)晶格的情況下，張可以僅通過控制電子周圍的磁場(chǎng)來旋轉(zhuǎn)電子線。

“索尼婭注意到，當(dāng)你施加磁場(chǎng)時(shí)，你可以重新定位他們的文化，”哈桑說。“對(duì)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(chǎng)對(duì)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(xué)HerchelSmith物理學(xué)教授兼物理系主任SubirSachdev說，他沒有參與這項(xiàng)研究。

比這種稱為各向異性的解耦更令人驚訝的是效應(yīng)的規(guī)模，它比理論預(yù)測(cè)的大100倍。物理學(xué)家用一個(gè)稱為“g因子”的術(shù)語(yǔ)來表征量子級(jí)磁性，該術(shù)語(yǔ)沒有單位。真空中電子的g因子已被精確計(jì)算為略大于2，但在這種新型材料中，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子彼此強(qiáng)烈相互作用時(shí)，有效g因子為210。

“沒有人在拓?fù)洳牧现蓄A(yù)測(cè)到這一點(diǎn)，”哈桑說。

“根據(jù)現(xiàn)有的量子材料理論，我們可以計(jì)算出很多東西，但這篇論文令人興奮，因?yàn)樗@示了一種未知的效應(yīng)，”他說。這對(duì)納米技術(shù)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(shù)的規(guī)模上，將拓?fù)鋵W(xué)、磁性和超導(dǎo)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(shí)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(chǎng)可以對(duì)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(yīng)為新型量子技術(shù)和納米技術(shù)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(jìn)行的，該儀器與可旋轉(zhuǎn)矢量磁場(chǎng)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(gè)原子并檢測(cè)其電子的細(xì)節(jié)，同時(shí)測(cè)量電子的能量和自旋分布。該儀器被冷卻到接近絕對(duì)零，并與地板和天花板分離，以防止甚至原子大小的振動(dòng)。

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?fù)淞孔游镔|(zhì)和高級(jí)光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)。

“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?cè)谠摴茏觾?nèi)創(chuàng)造了一個(gè)比地球上層大氣薄一萬億倍以上的真空條件。實(shí)現(xiàn)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)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(shí)間，”他說。

“我們所有人，當(dāng)我們研究物理時(shí)，我們都在尋找事物究竟是如何運(yùn)作的，”張說。“這一發(fā)現(xiàn)讓我們對(duì)此有了更多的了解，因?yàn)樗龊跻饬狭恕?rdquo;

通過尋找一種新型的量子組織，張和她的同事正在“為推進(jìn)知識(shí)前沿做出直接貢獻(xiàn)——在這種情況下，沒有任何理論預(yù)測(cè)，”Hasan說。“我們的實(shí)驗(yàn)正在推進(jìn)知識(shí)前沿。”

該團(tuán)隊(duì)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(xiàng)翔、劉凱、張?zhí)s、林欣、陸忠義、王自強(qiáng)、賈爽和王文紅。