普林斯顿大学的科学家发现了一种可调谐的新型物质量子态

由普林斯顿物理学家ZahidHasan领导的一个国际研究团队发现了一种新的物质量子态，可以用弱磁场随意操纵，这为下一代纳米或量子技术开辟了新的可能性。Hasan实验室的研究人员包括(左起)：Jia-XinYin、ZahidHasan、SongtianSoniaZhang、DanielMulter、MaksimLitskevich和GuoqingChang。

量子粒子很难表征，如果它们彼此强烈相互作用，则几乎无法控制——直到现在。

由普林斯顿物理学家ZahidHasan领导的一个国际研究小组发现了一种可以随意“调整”的物质量子态——它的可调性是现有理论所能解释的10倍。这种可操作性水平为下一代纳米技术和量子计算开辟了巨大的可能性。

“我们为量子拓扑世界找到了一个新的控制旋钮，”尤金希金斯物理学教授哈桑说。“我们预计这只是冰山一角。将会有一个新的材料或物理学子领域由此产生。……这将是纳米级工程的绝佳游乐场。”

Hasan和他的同事将他们的研究成果发表在最新一期的《自然》杂志上，他们将他们的发现称为“新的”物质量子态，因为现有的材料特性理论无法解释它。

Hasan对超越已知物理学边界的兴趣吸引了博士后研究员、该论文的三位共同第一作者之一尹嘉欣来到他的实验室。尹说，其他研究人员曾鼓励他解决现代物理学中的一个明确问题。

“但当我与哈桑教授交谈时，他告诉了我一些非常有趣的事情，”尹说。“他正在寻找物质的新相。这个问题是不确定的。我们需要做的是寻找问题而不是答案。”

物质的经典相——固体、液体和气体——产生于原子或分子之间的相互作用。在物质的量子相中，相互作用发生在电子之间，而且要复杂得多。

“这确实可能是物质新量子相的证据——这对我来说是令人兴奋的，”加州理工学院物理学教授、2009年获得博士学位的DavidHsieh说。毕业于普林斯顿大学，未参与本研究。“他们提供了一些线索，表明可能正在发生一些有趣的事情，但需要做大量的后续工作，更不用说一些理论支持，以了解真正导致他们所看到的事情的原因。”

Hasan一直在拓扑材料的开创性子领域工作，这是凝聚态物理学的一个领域，他的团队几年前在该领域发现了拓扑量子磁体。在目前的研究中，他和他的同事“发现了一种我们可以在量子水平上控制的新型拓扑磁体的奇怪量子效应，”哈桑说。

关键不在于观察单个粒子，而在于观察它们在磁场存在下相互作用的方式。哈桑说，一些量子粒子，比如人类，单独行动与在社区中行动不同。“你可以研究粒子基本原理的所有细节，但无法预测当你将它们放在一起并且它们开始相互强烈相互作用时会出现的文化、艺术或社会，”他说。

为了研究这种量子“文化”，他和他的同事们以许多不同的模式在晶体表面排列原子，并观察发生了什么。他们使用了由中国、台湾和普林斯顿的合作小组准备的各种材料。一种特殊的排列，一种称为“kagome格子”的六重蜂窝形状，与日本篮子编织图案相似，导致了一些令人吃惊的事情——但只有在存在强磁场的情况下在分光显微镜下检查时，设备才发现在哈桑的拓扑量子物质和高级光谱学实验室，位于普林斯顿贾德温大厅的地下室。

当研究人员将外部磁场转向不同方向(用箭头表示)时，他们会改变kagome(六倍)磁铁上方的线性电子流的方向，如拓扑表面上的这些电子波干涉图案所示量子戈薇磁铁。每个图案都是由施加在样品上的特定方向的外部磁场产生的。

图片由MZHasan、Jia-XinYin、SongtianSoniaZhang提供，普林斯顿大学

所有已知的物理学理论都预测电子会遵循六重基本模式，但相反，盘旋在原子上方的电子决定走向自己的鼓手——以直线，具有双重对称性。

“电子决定重新定位自己，”哈桑说。“他们忽略了晶格对称性。他们决定在一条线上这样那样跳来跳去比侧身跳更容易。所以这是新的领域。......电子可以忽略晶格并形成自己的社会。

加州理工学院的Hsieh指出，这是一种非常罕见的效果。他说，“我一只手就能数出”显示出这种行为的量子材料的数量。

Hasan实验室的研究生、该论文的另一位共同第一作者SongtianSoniaZhang说，研究人员对这种双重排列感到震惊。“我们曾期望找到六倍的东西，就像在其他拓扑材料中一样，但我们发现了一些完全出乎意料的东西，”她说。“我们一直在调查——为什么会这样?——而且我们发现了更多意想不到的事情。这很有趣，因为理论家们根本没有预测到它。我们刚刚发现了一些新东西。”

电子与原子排列之间的解耦已经足够令人惊讶了，但随后研究人员应用了磁场，发现他们可以将那条线转向他们选择的任何方向。在不移动晶格的情况下，张可以仅通过控制电子周围的磁场来旋转电子线。

“索尼娅注意到，当你施加磁场时，你可以重新定位他们的文化，”哈桑说。“对于人类，你无法轻易改变他们的文化，但在这里，她似乎可以控制如何重新定向电子的多体文化。”

研究人员还不能解释原因。

“磁场对材料的电子特性产生如此巨大的影响是罕见的，”哈佛大学HerchelSmith物理学教授兼物理系主任SubirSachdev说，他没有参与这项研究。

比这种称为各向异性的解耦更令人惊讶的是效应的规模，它比理论预测的大100倍。物理学家用一个称为“g因子”的术语来表征量子级磁性，该术语没有单位。真空中电子的g因子已被精确计算为略大于2，但在这种新型材料中，研究人员发现当电子彼此强烈相互作用时，有效g因子为210。

“没有人在拓扑材料中预测到这一点，”哈桑说。

“根据现有的量子材料理论，我们可以计算出很多东西，但这篇论文令人兴奋，因为它显示了一种未知的效应，”他说。这对纳米技术研究具有重要意义，尤其是在开发传感器方面。在量子技术的规模上，将拓扑学、磁性和超导性结合起来的努力一直受到微小材料的低有效g因子的阻碍。

“事实上，我们发现了一种具有如此大有效g因子的材料，这意味着适度的磁场可以对系统产生显着影响——这是非常可取的，”Hasan说。“这种巨大且可调谐的量子效应为新型量子技术和纳米技术开辟了可能性。”

这一发现是在JadwinHall的地下室中使用称为扫描隧道分光显微镜的两层多组件仪器进行的，该仪器与可旋转矢量磁场功能结合使用。分光显微镜的分辨率不到原子大小的一半，可以扫描单个原子并检测其电子的细节，同时测量电子的能量和自旋分布。该仪器被冷却到接近绝对零，并与地板和天花板分离，以防止甚至原子大小的振动。

Hasan描述了扫描隧道分光显微镜的作用，它的分辨率不到原子大小的一半。该仪器位于普林斯顿JadwinHall的拓扑量子物质和高级光谱学实验室，在那里它被冷却到0.4开尔文，并与地板和天花板分离，以防止甚至原子大小的振动。

“我们将降至0.4开尔文。它比2.7开尔文的星际空间更冷，”哈桑说。“不仅如此，样本所在的管子——我们在该管子内创造了一个比地球上层大气薄一万亿倍以上的真空条件。实现当前实验所需的多组分仪器的这些微调操作条件大约需要五年时间，”他说。

“我们所有人，当我们研究物理时，我们都在寻找事物究竟是如何运作的，”张说。“这一发现让我们对此有了更多的了解，因为它太出乎意料了。”

通过寻找一种新型的量子组织，张和她的同事正在“为推进知识前沿做出直接贡献——在这种情况下，没有任何理论预测，”Hasan说。“我们的实验正在推进知识前沿。”

该团队包括普林斯顿物理系的众多研究人员，包括现任和过去的研究生SongtianSoniaZhang、IlyaBelopolski、TylerCochran和SuyangXu;以及现任和过去的博士后研究员Jia-XinYin、GuoqingChang、HaoZheng、GuangBian和BiaoLian。其他合著者有李航、姜坤、张冰晶、项翔、刘凯、张泰荣、林欣、陆忠义、王自强、贾爽和王文红。