绝缘体中量子行为的发现表明可能存在新粒子

在一项令人惊讶的发现中，普林斯顿大学的物理学家在一种由称为二碲化钨的材料制成的绝缘体中观察到了意想不到的量子行为。这种被称为量子振荡的现象通常在金属而非绝缘体中观察到，它的发现为我们对量子世界的理解提供了新的见解。这些发现还暗示存在一种全新类型的量子粒子。

这一发现挑战了长期以来金属和绝缘体之间的区别，因为在既定的材料量子理论中，绝缘体不被认为能够经历量子振荡。

两个发光的球体有能量连接

由普林斯顿物理学家领导的团队在由二碲化钨制成的原子级薄绝缘体中发现了令人惊讶的量子现象。结果表明形成了以前隐藏在绝缘体中的全新类型的量子相。

图片由KaiFu为普林斯顿大学吴实验室设计

“如果我们的解释是正确的，我们就会看到一种全新形式的量子物质，”普林斯顿大学物理学助理教授、《自然》杂志最近一篇详细介绍这一新发现的论文的资深作者吴三峰说。“我们现在正在想象一个隐藏在绝缘体中的全新量子世界。在过去的几十年里，我们可能只是错过了识别它们的机会。”

长期以来，对量子振荡的观察一直被认为是区分金属和绝缘体的标志。在金属中，电子的移动性很强，电阻率——导电的阻力——很弱。近一个世纪前，研究人员观察到磁场与极低的温度相结合，会导致电子从“经典”状态转变为量子状态，从而导致金属电阻率发生振荡。相比之下，在绝缘体中，电子不能移动并且材料具有非常高的电阻率，因此无论施加的磁场强度如何，都不会发生这种量子振荡。

这一发现是在研究人员研究一种名为二碲化钨的材料时发现的，他们将其制成二维材料。他们通过使用标准透明胶带越来越多地剥落或“刮削”这些层来准备材料，直到形成所谓的单层——一个原子薄层。厚的二碲化钨表现得像金属。但是一旦它转化为单层，它就会变成非常坚固的绝缘体。

“这种材料有很多特殊的量子特性，”吴说。

然后，研究人员着手测量单层二碲化钨在磁场下的电阻率。令他们惊讶的是，尽管绝缘体的电阻率很大，但随着磁场的增加，绝缘体的电阻率开始振荡，表明已转变为量子态。实际上，这种材料——一种非常坚固的绝缘体——表现出了金属最显着的量子特性。

“这完全出乎意料，”吴说。“我们问自己，'这里发生了什么?'我们还没有完全理解它。”

吴指出，目前没有理论可以解释这种现象。

尽管如此，Wu和他的同事提出了一个具有挑战性的假设——一种带中性电荷的量子物质。“由于非常强的相互作用，电子正在自我组织以产生这种新型量子物质，”吴说。

但吴说，最终不再是电子在振荡。相反，研究人员认为，他们称之为“中性费米子”的新粒子是从这些强相互作用的电子中诞生的，并负责产生这种非常显着的量子效应。

费米子是一类包含电子的量子粒子。在量子材料中，带电费米子可以是带负电的电子或带正电的“空穴”，它们负责导电。也就是说，如果材料是电绝缘体，这些带电的费米子就不能自由移动。然而，中性粒子——即既不带负电也不带正电——理论上可能存在于绝缘体中并在绝缘体中移动。

“我们的实验结果与所有基于带电费米子的现有理论相冲突，”该论文的共同第一作者、博士后研究员PengjieWang说，“但可以在电荷中性费米子的存在下得到解释。”

普林斯顿团队计划进一步研究二碲化钨的量子特性。他们特别感兴趣的是发现他们的假设——关于新量子粒子的存在——是否有效。

“这只是起点，”吴说。“如果我们是正确的，未来的研究人员会发现其他具有这种令人惊讶的量子特性的绝缘体。”

尽管这项研究和对结果的初步解释是新颖的，但吴还是推测了如何将这种现象付诸实践。

“中性费米子有可能在未来用于编码对量子计算有用的信息，”他说。“不过，与此同时，我们仍处于理解此类量子现象的早期阶段，因此必须进行基础性发现。”