中國物理學家發現未知量子態，可通過外部磁場操控對稱性——獨家

說到相變，可能大家最有概念的是物質的固、液、氣三相之間的相變。在不同的溫度和壓力影響下，物質可以從一種相變成另一種相，比如冰可以變成水也可以變成水蒸氣。除了三態相變，還有其他類型的相變，比如我們加熱一塊磁鐵，磁鐵的鐵磁性會到達一定情況下忽然消失。

相似地，由量子漲落可造成量子相變。量子發生相變時，在量子多體系統中基態的性質也會隨著外部參數變化發生突然改變。但亞原子粒子較其他粒子並不具有明顯的特徵，它們是現階段現代物理學中物質的最小組成部分，其狀態在彼此間存在強相互作用時幾乎不可能被控制，但這一現狀隨著普林斯頓大學的研究取得進展而發生了改變。

最近，普林斯頓大學與中國科學院物理研究所合作發現了物質的一種新型量子態，這種量子態的可調性極高，或能為未來納米或量子技術的發展提供新的可能。論文第一作者殷嘉鑫對 DT 君說，「納米或量子計算機技術往往需要磁電之間的轉換，我們的這個發現意味這實現了高效磁電轉換新的突破方向。」這項研究在 9 月 12 日刊登在 Nature 雜誌上。

圖 | Nature 刊登新型量子態研究（來源：Nature）

這項研究在一種稱為竹籠形（Kagome）磁體的晶體中，發現了一種可被隨意「調控」的新型量子態，其可調性較現有理論的解釋範圍高出 10 倍，對下一代納米和量子計算技術的研發來說意義非凡。

Zahid Hasan 說：「我們為量子拓撲領域發現了一個新的『控制鍵』，但希望這只是冰山一角，將來若能由此發現一個材料物理相關的全新領域，納米工程方面的研究將受益匪淺。」

由於實驗結果不能被現有理論所解釋，Hasan 與論文共同作者在發表於自然雜誌的論文中將該發現稱為物質的一種新型量子態。

圖 | 普林斯頓大學 Hasan 研究組（來源：普林斯頓大學）

新量子態可通過磁場控制拓撲對稱性

物質的三大經典形態（classical phases of matter），固態、液態和氣態間的相互轉變，源於構成物質的原子和分子間的相互作用。但在物質的量子態（quantum phase of matter）中，這種相互作用發生在電子之間，且比經典態的情況要複雜得多。

而現在，用 Hasan 本人的話來說，他的團隊「發現了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」。

Hasan 說：「關鍵在於關注粒子在磁場中相互作用的方式，而非單個粒子的行為。就像人類一樣，個人與集體的行為有時會存在很大的差異。你可以研究單個粒子的各種細節，但由於粒子間存在著很強的相互作用，這並不能幫你預測出當多個粒子被放在一起時所呈現的『集體行為』。」

為了研究這種量子「集體行為」，Hasan 的團隊在實驗中以各種方式將原子排列在晶體表面，並觀察會發生什麼。團隊在研究中使用了由位於中國大陸和台灣地區、以及普林斯頓的合作團隊所製備的各種材料。而一種名為「竹籠形晶格」的特殊六折式蜂窩形 (six-fold honeycomb shape) 排列方式（得名於與其結構很像的一種竹籠），讓實驗產生了令人震驚的結果。

圖 | 竹籠形晶格（來源：維基百科）

現有的所有理論都預測電子會粘附在這種六折式排列上，但實驗結果卻是電子以一種雙對稱（two-fold symmetry）模式排列成了一條直線。

Hasan 說：「電子忽略了晶格的對稱性，重新定向，以排成一條直線的方式使躍遷更易發生。電子忽略了晶格，形成了自己的『社會結構』，這使該研究成了物理學中真正的前沿。」

圖 | 論文的通訊作者 M. Zahid Hasan（來源：普林斯頓大學）

Hasan 此前曾一直致力於拓撲材料附屬領域（subfield）的開創性研究，在分類上屬於凝聚態物理。他的團隊曾在幾年前發現了量子拓撲磁體（topological quantum magnets）。

參與實驗的研究人員都震驚於這種特異的雙對稱電子排列，論文共同第一作者，Hasan 實驗室的一名研究生，Songtian Sonia Zhang 說：「我們原本期望找到六折的排列形式，但卻發現了一些完全出乎意料的東西。而隨後對此的調查將我們引向了更多意想不到的事物，但理論學家們根本沒有預測到這種情況的存在，這意味著我們發現了一些新的東西，這實在是太有趣了。」

實驗中出現的電子和原子排列間的解耦（decoupling）已足夠令人震驚，但研究人員隨後又發現，通過外置磁場，他們可以在不移動晶格的情況下將那條由電子排成的直線轉至任何方向。

圖 | 通過外加磁場可控制竹籠形晶體電子排列方向（來源：Nature）

Hasan 說：「Sonia Zhang 在研究中注意到了這一點，儘管對人類來說一種文化並不會被輕易改變，但你卻可以通過施加一個外部磁場改變電子的『文化』。」

目前，科學家們還無法給出該現象的成因。

研究團隊的一些猜測主要認為，這種新型量子態「和材料電子結構中的拓撲特性相關。」殷嘉鑫對 DT 君說。

然而，比這種名為非均向性（anisotropy）的解耦現象更令人震驚的是該效應的規模，其規模較理論預期足足多出了一百多倍。物理學家用一個名為「g 因子（g factor）」的無單位量表示材料中電子結構對外界磁場的相應係數，g 因子越高，說明材料可被較弱的磁場顯著調控其電子結構。真空中電子 g 因子的精確計算值略高於 2，但研究人員發現，在電子間存在強相互作用的情況下，實驗中所算出材料 g 因子有效值為 210。

關於是否有其他晶體也存在高 g 因子值，殷嘉鑫告訴 DT 君，確實有「很多重元素組成的半導體材料也具有比較高的 g 因子，一般在 10~50 左右。但其（與竹籠形晶體高 g 因子的）機制可能並不相同。」

未參與研究的哈佛大學物理學教授兼物理系主任 Subir Sachdev 對此評論道：「一般來說，很少有磁場能對材料的電子特性產生如此巨大的影響。」

目前，能夠達到新型量子態的材料還有待進一步探索。關於搜尋這些新材料的一些線索，殷嘉鑫告訴 DT 君，「從我們的結果看，尋找類似材料大概有一些方向：需要特殊的晶格對稱性（這些對稱性往往使得材料電子結構具有拓撲性質），需要較強的自旋軌道耦合（化學元素重一些）。當然我個人覺得我們開發出矢量磁場下的實空間-動量空間成像與調控手段也是表徵這種現象最有效的方法。」

圖 | 實驗中的電子波干涉圖案----普林斯頓大學的一項研究發現，當外置磁場的方向（圖中箭頭方向）發生改變時，竹籠形磁體上方的線性電子流向也會隨之改變。（來源：普林斯頓大學）

研究中做出該發現的儀器是放置在 Jadwin Hall 地下室中的「掃描穿隧光譜顯微鏡（scanning tunneling spectromicroscope）」，該儀器有兩層樓高，由多個組件構成，在外置可旋轉矢量磁場（rotatable vector magnetic）環境中運行。光譜顯微鏡的解析度小於原子大小的一半，這使它能掃描單個原子並檢測改原子中的電子細節，並同時測量電子的能量和自旋分布。儀器的工作溫度接近絕對零度，在安裝上與地板和房頂分離，以防止任何可能的振動對觀測造成影響（哪怕只有原子大小）。

Hasan 說：「儀器工作環境的溫度在 0.4 開爾文左右，這比外太空（約 2.7 開爾文）還冷，我們為材料樣本所在管道所創造的真空條件比地球上部大氣層還薄約一萬億倍，實現這些條件花了我們足足五年。」

殷嘉鑫向 DT 君透露，他在「2017 年進入普林斯頓後，在 Hasan 指導下帶領研究生 Songtian Zhang 對已有掃描隧道顯微鏡實驗儀器和實驗技術進行改進，並表徵了 LiFeAs 材料在 9T-2T-2T 矢量磁場和 400mK 溫度下的磁通相圖，率先報道了關聯超導體對矢量磁場的響應，並開發了矢量磁場下實空間-動量空間電子成像與調控的先進研究方法 (arXiv:1802.10059 (2018))。」他們隨後利用這種先進手段探索了許多量子材料，最終在 Fe3Sn2 中發現了這巨大的矢量磁場響應。

圖 | 具有特殊量子態的晶體 Mn3Sn 和 Fe3Sn2 （來源：Nature）

打破常規，新型量子態助力納米和量子計算技術開發

值得注意的是，此前並沒有理論曾對這種新型量子態作出預測。Hasan 表示：「根據現有的量子材料理論，我們可以算出許多東西，但這項研究令人興奮的原因在於它向我們展示了一種此前未知的量子效應，這對納米技術研究，尤其是在開發感測器方面具有很大的意義。在量子技術層面上，材料過低的有效 g 因子值會導致拓撲、磁體和超導這三者不能有效結合，而一種具有如此高的有效 g 因子值的材料意味著適當的磁場可在系統中施加顯著影響，這為未來的量子和納米技術發展提供了新的可能。」

但這同時也為解釋新型量子態機制提出了挑戰。

未直接參与研究的加州理工學院物理學教授 David Hsieh 說：「該發現的確有可能是物質新型量子態存在的證據，這令人感到興奮，但仍有很多後續工作要做。我們需要發展一個可以解釋該現象的理論，搞清楚究竟是什麼導致了這種情況的發生。」

Hasan 對現有物理理論範疇外的研究興趣很大，而這也正是論文共同作者，殷嘉鑫選擇來 Hasan 實驗室工作的原因。殷嘉鑫說：「當時，實驗室里的同事們都鼓勵我去研究一個現代物理中已經被定性的問題，但當我和 Hasan 教授交談時，他跟我講了一些很有趣的事情，他說他正在尋找物質的新形態，研究一個沒有定性的問題，而研究所要做的，便是尋找問題本身。」

圖 | 論文第一作者殷嘉鑫（來源：普林斯頓大學）

殷嘉鑫在談到新量子態可能的一些應用時表示，「我們發現不同磁場角度對應與不同電子態構型（及不同的量子信息）。這些量子信息可以被電測量採集識別。比起常規的磁電轉換器件，一是在幅度上有提升（可能會提高容錯率，使得器件更魯棒），二是增加了新的調控維度即多重空間角度。對該項技術的進一步開發有可能實現磁電量子信息的高效讀取與編譯。」

Sonia Zhang 說：「在研究物理時，我們總是在尋找事物究竟是在以何種方式運作，而此次研究的發現著實讓我們又向前進了一步。」

在談到未來研究的展望時，殷嘉鑫表示，「我們希望利用目前的研究方法去探索更多的量子材料，希望能發現更大的電磁響應或者其他新奇衍生現象，為人類下一代電子信息技術做好充足的知識儲備。」

Zhang 和她的同事目前正在通過尋找一種新的量子結構革新我們對世界的認知，Hasan 說：「我們的實驗正將人類的認知推向至更遠的地方，那裡目前充滿未知，尚無理論可言。」

但同時，這也意味著這項發現離真正應用還有很長但路要走。目前，「只是在低溫下（4.2K) 探索了材料的磁電性質和其形成機理，尤其是與拓撲的聯繫。實際應用最好能在液氮溫度（77K）或者室溫（這個材料的磁轉變在 600K）。希望下一步探索這個材料在更高溫度下電磁響應。」殷嘉鑫說。

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