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反常量子现象中发现全新粒子

时间:2021-01-26 10:46:53 | 来源:环球科学
图片来源:pixabay图片来源:pixabay

撰文 | 汤姆·加林豪斯(Tom Garlinghouse)

翻译 | 董婉瑜

审校 | 王昱

这种现象被称为量子振荡,只存在于金属中,而绝缘体中是通常观测不到量子振荡的。这项发现为我们对量子世界的理解提供了新视角,同时也代表可能存在一种全新类型的量子粒子。

这一发现挑战了一直以来公认的金属与绝缘体的区别,因为现有的材料量子理论认为,绝缘体是不应该存在量子振荡的。

“如果我们的推测是正确的,那么我们眼前的就是一种全新形式的量子物质。”最近在《自然》杂志上详细介绍这一新发现的主要作者,普林斯顿大学助理教授吴三丰(Sanfeng Wu)说道。“我们设想,绝缘体中存在一个全新的量子世界,只是过去几十年来我们都没有识别到它。”

一直以来,人们都认为能否观测到量子振荡是金属与绝缘体的标志性区别。在金属中,电子可以自由移动,电阻率(电传导时遇到的阻力)很低。近100多年前,科学家就发现,极低的温度加上磁场的作用,可以使电子从平常状态变成量子态,从而引起电阻率的振荡。相比之下,在绝缘体中,材料电阻率很高,电子不能移动,因此无论施加任何强度的磁场,都不应该出现这种量子振荡。

这项发现是科学家在研究一种叫做二碲化钨的材料时取得的。他们将二碲化钨制成了二维材料,方法是用常见的透明胶带将材料一层一层剥落,“剃”成一层单原子薄片。厚的二碲化钨性质像金属,而一旦被制成单层,就会变成一种强绝缘体。

“这种材料有许多特殊的量子特性。”吴三丰说。

随后,研究人员开始测量二碲化钨在磁场下的电阻率。出人意料的是,尽管绝缘体的电阻率相当大,但随着磁场增加,它的电阻率开始振荡,说明它变成了量子态。没错,这种强绝缘材料,表现出了本应该是金属独有的、最显著的量子特性。

“这完全超出我们预料。”吴三丰说。“我们问自己‘究竟怎么回事?’我们现在也没有完全理解。”他指出,目前还没有任何理论可以解释这一现象。

尽管如此,吴三丰和他的同事提出了一个激进的假说:存在一种电中性的新型量子物质。“由于非常强的相互作用,电子正在组织起来,形成这种新型量子物质。”

但最终产生振荡的不是电子,吴三丰说。相反,他们认为在电子强大的相互作用下产生了一种新型粒子,他们称之为“中性费米子”,而中性费米子产生了显著的量子效应。

费米子是包括电子在内的一类量子粒子。在量子材料中,带电的费米子可以是带负电的电子,也可以是带正电的空穴(hole),它们都负责电传导。也就是说,如果材料是电绝缘体,那么这些带电费米子就不能自由移动。然而,理论上,不带正电或负电的中性粒子有可能存在于绝缘体中并能自由移动。

“我们的实验结果与所有基于带电费米子的理论冲突。”论文的共同第一作者,博士后研究助理王鹏杰(Pengjie Wang)说。“但如果存在中性费米子,就可以解释得通。”

普林斯顿的团队计划进一步研究二碲化钨的量子特性。他们非常想知道自己的假设是否成立,即能否真的验证新型量子粒子的存在。

“这只是一个起点。”吴三丰说。“如果我们没有出错的话,那么未来的研究者也会从其他绝缘体中发现这种惊人的量子特性。”

尽管对这项新研究的结果只有初步的解释,吴三丰已经在思考这种现象该如何投入实际应用中。

“未来中性费米子可能会用在量子计算中,用于编码信息。”他说。“但与此同时,我们对这种量子现象的理解还处于非常早期的阶段,所以还有很多基础性质有待发现。”

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