絕緣體中量子行為的發(fā)現表明可能存在新粒子

在一項令人驚訝的發(fā)現中，普林斯頓大學的物理學家在一種由稱為二碲化鎢的材料制成的絕緣體中觀察到了意想不到的量子行為。這種被稱為量子振蕩的現象通常在金屬而非絕緣體中觀察到，它的發(fā)現為我們對量子世界的理解提供了新的見解。這些發(fā)現還暗示存在一種全新類型的量子粒子。

這一發(fā)現挑戰(zhàn)了長期以來金屬和絕緣體之間的區(qū)別，因為在既定的材料量子理論中，絕緣體不被認為能夠經歷量子振蕩。

兩個發(fā)光的球體有能量連接

由普林斯頓物理學家領導的團隊在由二碲化鎢制成的原子級薄絕緣體中發(fā)現了令人驚訝的量子現象。結果表明形成了以前隱藏在絕緣體中的全新類型的量子相。

圖片由KaiFu為普林斯頓大學吳實驗室設計

“如果我們的解釋是正確的，我們就會看到一種全新形式的量子物質，”普林斯頓大學物理學助理教授、《自然》雜志最近一篇詳細介紹這一新發(fā)現的論文的資深作者吳三峰說。“我們現在正在想象一個隱藏在絕緣體中的全新量子世界。在過去的幾十年里，我們可能只是錯過了識別它們的機會。”

長期以來，對量子振蕩的觀察一直被認為是區(qū)分金屬和絕緣體的標志。在金屬中，電子的移動性很強，電阻率——導電的阻力——很弱。近一個世紀前，研究人員觀察到磁場與極低的溫度相結合，會導致電子從“經典”狀態(tài)轉變?yōu)榱孔訝顟B(tài)，從而導致金屬電阻率發(fā)生振蕩。相比之下，在絕緣體中，電子不能移動并且材料具有非常高的電阻率，因此無論施加的磁場強度如何，都不會發(fā)生這種量子振蕩。

這一發(fā)現是在研究人員研究一種名為二碲化鎢的材料時發(fā)現的，他們將其制成二維材料。他們通過使用標準透明膠帶越來越多地剝落或“刮削”這些層來準備材料，直到形成所謂的單層——一個原子薄層。厚的二碲化鎢表現得像金屬。但是一旦它轉化為單層，它就會變成非常堅固的絕緣體。

“這種材料有很多特殊的量子特性，”吳說。

然后，研究人員著手測量單層二碲化鎢在磁場下的電阻率。令他們驚訝的是，盡管絕緣體的電阻率很大，但隨著磁場的增加，絕緣體的電阻率開始振蕩，表明已轉變?yōu)榱孔討B(tài)。實際上，這種材料——一種非常堅固的絕緣體——表現出了金屬最顯著的量子特性。

“這完全出乎意料，”吳說。“我們問自己，'這里發(fā)生了什么?'我們還沒有完全理解它。”

吳指出，目前沒有理論可以解釋這種現象。

盡管如此，Wu和他的同事提出了一個具有挑戰(zhàn)性的假設——一種帶中性電荷的量子物質。“由于非常強的相互作用，電子正在自我組織以產生這種新型量子物質，”吳說。

但吳說，最終不再是電子在振蕩。相反，研究人員認為，他們稱之為“中性費米子”的新粒子是從這些強相互作用的電子中誕生的，并負責產生這種非常顯著的量子效應。

費米子是一類包含電子的量子粒子。在量子材料中，帶電費米子可以是帶負電的電子或帶正電的“空穴”，它們負責導電。也就是說，如果材料是電絕緣體，這些帶電的費米子就不能自由移動。然而，中性粒子——即既不帶負電也不帶正電——理論上可能存在于絕緣體中并在絕緣體中移動。

“我們的實驗結果與所有基于帶電費米子的現有理論相沖突，”該論文的共同第一作者、博士后研究員PengjieWang說，“但可以在電荷中性費米子的存在下得到解釋。”

普林斯頓團隊計劃進一步研究二碲化鎢的量子特性。他們特別感興趣的是發(fā)現他們的假設——關于新量子粒子的存在——是否有效。

“這只是起點，”吳說。“如果我們是正確的，未來的研究人員會發(fā)現其他具有這種令人驚訝的量子特性的絕緣體。”

盡管這項研究和對結果的初步解釋是新穎的，但吳還是推測了如何將這種現象付諸實踐。

“中性費米子有可能在未來用于編碼對量子計算有用的信息，”他說。“不過，與此同時，我們仍處于理解此類量子現象的早期階段，因此必須進行基礎性發(fā)現。”