最近,普林斯顿大学与中国科学院物理研究所合作发现了物质的一种新型量子态,这种量子态的可调性极高,或能为未来纳米或量子技术的发展提供新的可能。论文第一作者殷嘉鑫对 DT 君说,“纳米或量子计算机技术往往需要磁电之间的转换,我们的这个发现意味这实现了高效磁电转换新的突破方向。”这项研究在 9 月 12 日刊登在 Nature 杂志上。

未知量子态的出现,有望改变人类对量子世界的认识?-量子客

这项研究在一种称为竹笼形(Kagome)磁体的晶体中,发现了一种可被随意“调控”的新型量子态,其可调性较现有理论的解释范围高出 10 倍,对下一代纳米和量子计算技术的研发来说意义非凡。

Zahid Hasan 说:“我们为量子拓扑领域发现了一个新的‘控制键’,但希望这只是冰山一角,将来若能由此发现一个材料物理相关的全新领域,纳米工程方面的研究将受益匪浅。”

由于实验结果不能被现有理论所解释,Hasan 与论文共同作者在发表于自然杂志的论文中将该发现称为物质的一种新型量子态。

新量子态可通过磁场控制拓扑对称性

物质的三大经典形态(classical phases of matter),固态、液态和气态间的相互转变,源于构成物质的原子和分子间的相互作用。但在物质的量子态(quantum phase of matter)中,这种相互作用发生在电子之间,且比经典态的情况要复杂得多。而现在,用 Hasan 本人的话来说,他的团队“发现了一种在量子层面可控的、量子拓扑磁体上的一种奇特量子效应”。

值得注意的是,此前并没有理论曾对这种新型量子态作出预测。Hasan 表示:“根据现有的量子材料理论,我们可以算出许多东西,但这项研究令人兴奋的原因在于它向我们展示了一种此前未知的量子效应,这对纳米技术研究,尤其是在开发传感器方面具有很大的意义。在量子技术层面上,材料过低的有效 g 因子值会导致拓扑、磁体和超导这三者不能有效结合,而一种具有如此高的有效 g 因子值的材料意味着适当的磁场可在系统中施加显著影响,这为未来的量子和纳米技术发展提供了新的可能。”

但这同时也为解释新型量子态机制提出了挑战。

未直接参与研究的加州理工学院物理学教授 David Hsieh 说:“该发现的确有可能是物质新型量子态存在的证据,这令人感到兴奋,但仍有很多后续工作要做。我们需要发展一个可以解释该现象的理论,搞清楚究竟是什么导致了这种情况的发生。”

Hasan 对现有物理理论范畴外的研究兴趣很大,而这也正是论文共同作者,殷嘉鑫选择来 Hasan 实验室工作的原因。殷嘉鑫说:“当时,实验室里的同事们都鼓励我去研究一个现代物理中已经被定性的问题,但当我和 Hasan 教授交谈时,他跟我讲了一些很有趣的事情,他说他正在寻找物质的新形态,研究一个没有定性的问题,而研究所要做的,便是寻找问题本身。”

殷嘉鑫在谈到新量子态可能的一些应用时表示,“我们发现不同磁场角度对应与不同电子态构型(及不同的量子信息)。这些量子信息可以被电测量采集识别。比起常规的磁电转换器件,一是在幅度上有提升(可能会提高容错率,使得器件更鲁棒),二是增加了新的调控维度即多重空间角度。对该项技术的进一步开发有可能实现磁电量子信息的高效读取与编译。”Sonia Zhang 说:“在研究物理时,我们总是在寻找事物究竟是在以何种方式运作,而此次研究的发现着实让我们又向前进了一步。”在谈到未来研究的展望时,殷嘉鑫表示,“我们希望利用目前的研究方法去探索更多的量子材料,希望能发现更大的电磁响应或者其他新奇衍生现象,为人类下一代电子信息技术做好充足的知识储备。”

Zhang 和她的同事目前正在通过寻找一种新的量子结构革新我们对世界的认知,Hasan 说:“我们的实验正将人类的认知推向至更远的地方,那里目前充满未知,尚无理论可言。”

但同时,这也意味着这项发现离真正应用还有很长但路要走。目前,“只是在低温下(4.2K) 探索了材料的磁电性质和其形成机理,尤其是与拓扑的联系。实际应用最好能在液氮温度(77K)或者室温(这个材料的磁转变在 600K)。希望下一步探索这个材料在更高温度下电磁响应。”殷嘉鑫说。