直到现在,量子粒子都很难表征,并且几乎不可能控制它们之间的强相互作用的产生与消失。

不过最近,由普林斯顿物理学家扎希德·哈桑(Zahid Hasan)领导的一个国际研究小组发现了一种可以随意“调谐”的物质量子态,它的可调性是现有理论所能解释的10倍。这种可操作性为下一代纳米技术和量子计算技术开辟了巨大的可能性。

“我们为量子拓扑世界找到了一种新的控制方法。”哈桑解释说,“预计这只是冰山一角。但由此扩散开来,我们可能会发现一类新的物理材料……这将是一个奇妙的纳米工程乐园。”

哈桑和同事合作完成的这项研究发表在《自然》杂志上,他们的新发现被称之为物质的“新”量子态,因为它没有用现有的材料性质理论来解释。

QC观察丨普林斯顿科学家发现“可调谐”的新物质的量子态-量子客
Hasan在贾德温厅的办公室里与尹博士和张博士讨论这一发现。由通信办公室的Nick Barberio拍摄。

哈桑对超越已知物理学边缘的兴趣吸引着尹嘉新(Jia-Xin Yin)加入了他的实验室,尹博士是该实验室的博士后研究员兼论文的三大主要作者之一。实验室的其他研究员都鼓励他解决现代物理学中的一个已定义的问题(defined question)。

“但是当我和哈桑教授谈话时,他告诉了我一些非常有趣的事情。”尹博士说。“他正在寻找物质的新阶段。这个问题还没有被定义。我们需要做的是寻找问题而非答案。”

物质的经典相——固、液和气态——是由原子或分子之间的相互作用产生的。在物质的量子阶段,相互作用发生在电子之间并且更复杂。

这确实可能是物质的新量子阶段存在的证据,这对我来说是很重要的发现。”加州理工学院的物理学教授大卫·谢(David Hsieh)说,他是普林斯顿大学2009年的博士研究生,他本人并没有参与这项研究。“他们给出了一些线索,表明可能正在发生一些有趣的事情,但是还有许多后续工作需要完成,包括找到理论支持——他们为什么会看到这样的现象。”

哈桑一直致力于拓扑材料的开创性子领域研究,即凝聚态物理学领域,他的团队几年前在这一研究领域发现了拓扑量子磁体。哈桑说,在当前的研究中,他和他的同事“发现了一种新型拓扑磁体上的一种奇怪的量子效应,我们可以在量子水平上对其进行控制。”

关键不在于单个粒子,而在于它们在磁场存在下相互影响的方式。哈桑说,一些量子粒子像人类一样,单独行动的方式与在集体中的行动有所不同。“你可以研究粒子的基本原理的所有细节,但是没有办法对文化、艺术、或者社会进行预测,当你把它们放在一起时,它们会互相影响,并且开始彼此发生强相互作用。”他说。

为了研究这种量子“文化”,他和他的同事在晶体表面以许多不同的模式排列原子,并观察发生了什么。他们使用了由中国、台湾和普林斯顿的国际联合研究小组准备的各种材料。在研究其中一种特别的排列模式——六重蜂窝状(six-fold honeycomb shape)——由于其形似日本篮子编织图案被称为“Kagome格”,发生了一些令人惊异的现象,但只有在强磁场存在的情况下,在光谱显微镜下检查时才能观察到这种现象。此次实验是在普林斯顿的拓扑量子物质和先进光谱实验室中的设备上完成。

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当研究员将外部磁场转向不同的方向(用箭头表示)时,他们改变 kagome(六重)磁体上方的线性电子流的方向,如拓扑量子 kagome磁体表面上的电子波干涉图案所示。每个图案对应不同的外部磁场方向产生的电子波干涉图。

所有已知的物理学理论都预言电子将遵循六重的基本模式,但事实上,实验中围绕在原子周围的电子却是以二重对称的模式,以直线路径走向自己的鼓手。

“电子决定重新定位自己。”哈桑说,“它们忽略了晶格对称性。它们可以决定在一条线上以这样或那样的方式跳跃,这比横向更容易。所以这是新的前沿……电子可以忽略晶格并形成它们自己的社群。”

这是一个非常罕见的效应,加州理工学院的谢指出。他说,能够展现这种量子行为的量子材料数量我一只手都能数得过来。

哈桑实验室的研究生松田·索尼娅·张(Songtian Sonia Zhang)说,研究员们对这种二重模式感到非常震惊,她是论文的第一作者。“我们原本期望找到六重的物质,就像在其他拓扑材料中一样,但是我们发现了完全出乎意料的东西。”她说,“我们一直在调查,为什么会发生这种情况?随着研究的深入我们发现了更多意想不到的事情。这很有趣,因为理论学家们根本没有预料到这一点。我们刚刚又发现了一些新东西。”

电子和原子排列之间的解耦已经相当令人惊讶了,但随后研究员施加磁场,发现它们可以将这条直线转向它们选择的任何方向。在不移动晶格的情况下,张可以通过控制周围的磁场来旋转电子线。

“索尼亚注意到,当施加磁场时,我们可以重新调整他们的文化社群。”Hasan说,“对于人类来说,你不能轻易地改变他们的文化,但在这里,她似乎可以控制如何重新定位电子的多体文化。”

目前,研究人员还不能解释出现这种现象的原因。

哈佛大学赫歇尔·史密斯(Herchel Smith)物理学教授、物理系主任萨赫德夫(Subir Sachdev)没有参与这项研究,他评价说:“很少有磁场会对材料的电子特性产生如此显著的影响。”

比这种解耦——称为异向性(anisotropy)——更令人惊讶的是这种效应的规模,比理论预测的要大100倍。物理学家用一个称为“g因子”的术语(它没有单位)来表征量子级磁性。真空中电子的g因子可精确地计算为略多于2,但在这种新型材料中,研究人员发现,当电子彼此发生强烈相互作用时,有效g因子为210。

“在拓朴材料中没有人预测到这一点。”Hasan说。“根据现有的量子材料理论,我们可以计算很多东西,但是这篇论文非常令人兴奋,因为它展示了一个未知的效果。这对纳米技术的研究,尤其是在开发传感器方面具有重要意义。”他说,在量子技术领域,由于微材料的有效g因子相当少,将拓扑结构、磁性和超导电性结合起来相当困难。

哈桑说:“我们发现了一种具有相当大的有效g因子的材料,这意味着适度的磁场可以在系统中带来显著的影响,这是非常理想的。”这种巨大的、可调的量子效应将为新型量子技术和纳米技术开辟了可能性。

这一发现是在贾德温厅(Jadwin Hall)地下室利用一个两层多组分仪器(该仪器被称为扫描隧道光谱仪)在可旋转矢量磁场力下完成。光谱仪的分辨率比原子的一半还小,可扫描单个原子,并在测量电子的能量和自旋分布的同时检测其电子的详细情况。该仪器被冷却到接近绝对零度,悬空挂在地板和天花板之间,因为哪怕是原子级的振动都能对实验产生巨大影响。

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Hasan描述了扫描隧道谱显微镜的作用,它的分辨率比原子的一半还小。该仪器位于普林斯顿贾德温大厅拓扑量子物质和高级光谱实验室,在那里它被冷却到0.4开尔文,与地板和天花板分离,以防止原子级及以上的振动。

“我们要把温度降到0.4开尔文,这比银河系的温度(2.7开尔文)还冷。”哈桑说,“不仅如此,放置样品的管状物也是我们自主研发的,该管道内处于真空状态,也就是气压比地球上层大气还要稀薄一万亿倍。”目前实验所需的多组分仪器需要经过五年时间才能达到这些微调操作条件。

“我们所有人在做物理研究的时候都在寻找事物是如何运作的。”张说,“这一发现让我们能够更深入地了解这一点。”

通过发现一种新型的量子组织,张和她的同事们正在“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。”哈桑说,“我们的实验正在推进知识领域。”

研究小组包括普林斯顿大学物理系的众多研究人员,包括松田·索尼娅·张(Songtian Sonia Zhang)、伊利亚·贝洛波斯基(Ilya Belopolski)、泰勒·科克伦(Tyler Cochran)、徐苏阳(Suyang Xu)等在读研究生和刚刚毕业的研究生,尹佳欣(Jia-Xin Yin)、常国庆(Guoqing Chang)、郑浩(Hao Zheng)、卞广(Guang Bian)和连标(Biao Lian)等博士后研究员。此外,该论文的其他合著者还有李航(Hang Li)、姜坤(Kun Jiang)、张冰静(Bingjing Zhang)、向城(Cheng Xiang)、刘凯(Kai Liu)、常泰荣(Tay-Rong Chang)、林新(Hsin Lin)、陆中译(Zhongyi Lu)、王子强(Ziqiang Wang)、贾爽(Shuang Jia)、王文宏(Wenhong Wang)。

该论文名为“强关联kagome磁体中巨大且具有各向异性的自旋轨道可调谐性(Giant and anisotropic spin-orbit tunability in a strongly correlated kagome magnet)”,发表在9月12日出版的《自然》杂志。该研究项目由戈登和贝蒂穆尔基金会的“量子系统倡议涌现的现象(授权号:GBMF4547))”,以及能源部基础能源科学办公室(批准号:DE-FG-02-05ER462000)提供资金支持。

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译,并整理在量子客(Qtumist.com)上发布。

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