普林斯顿大学汤姆·加林豪斯 由普林斯顿物理学家领导的一个小组在一个由钨制成的原子级薄绝缘体中发现了一个令人惊讶的量子现象
研究结果表明，以前隐藏在绝缘体中的全新类型的量子相形成了
学分:普林斯顿大学吴实验室的傅凯 普林斯顿的物理学家发现了一个令人惊讶的发现，他们在一种由钨制成的绝缘体中观察到了意想不到的量子行为
这种现象被称为量子振荡，通常在金属而不是绝缘体中观察到，它的发现为我们理解量子世界提供了新的见解
这些发现也暗示了一种全新的量子粒子的存在
这一发现挑战了金属和绝缘体之间长期存在的区别，因为在已建立的材料量子理论中，绝缘体被认为不能经历量子振荡
“如果我们的解释是正确的，我们将看到一种全新的量子物质形式，”普林斯顿大学物理学助理教授吴三丰说，他是《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
“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
" 对量子振荡的观察长期以来被认为是金属和绝缘体区别的标志
在金属中，电子是高度可移动的，而电阻率——对电传导的阻力——很弱
近一个世纪前，研究人员观察到，磁场加上非常低的温度，可以导致电子从“经典”状态转移到量子状态，导致金属电阻率的振荡
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，所以无论施加的磁场强度如何，这种量子振荡都不太可能发生
这一发现是在研究人员研究一种叫做钨二碲镉汞的材料时发现的，他们将这种材料制成了二维材料
他们通过使用标准透明胶带来制备这种材料，使其越来越多地剥落，或者“剃光”，直到形成所谓的单层——一个单原子薄层
厚钨二碲镉汞表现得像金属一样
但是一旦转化成单层，它就变成了非常坚固的绝缘体
“这种材料有许多特殊的量子特性，”吴说
然后，研究人员开始测量磁场下单层钨二碲镉汞的电阻率
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，它开始振荡，这表明它进入了量子态
实际上，这种材料——一种非常坚固的绝缘体——表现出了金属最显著的量子特性
“这是一个完全的惊喜，”吴说
“我们问自己，‘这是怎么回事？’我们还没有完全理解它
" 吴指出，目前没有理论来解释这一现象
尽管如此，吴和他的同事提出了一个挑衅性的假设——一种带中性电荷的量子物质
“由于非常强的相互作用，电子正在自我组织产生这种新的量子物质，”吴说
但最终振荡的不再是电子，吴说
相反，研究人员认为新粒子，他们称之为“中性费米子”，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著的量子效应
费米子是包含电子的一类量子粒子
在量子材料中，带电的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——也就是说，既没有带负电也没有带正电——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，”该论文的第一作者、博士后研究助理王鹏杰说，“但可以用电荷中性费米子来解释。”
" 普林斯顿团队计划进一步研究钨二碲的量子特性
他们特别感兴趣的是发现他们关于新量子粒子存在的假设是否成立
“这只是起点，”吴说
“如果我们是正确的，未来的研究人员将会发现其他具有这种令人惊讶的量子特性的绝缘体
" 尽管这项研究是新的，对研究结果的解释也是尝试性的，但吴对如何将这一现象付诸实践进行了思考
“中性费米子有可能在未来被用于编码对量子计算有用的信息，”他说
“与此同时，尽管如此，我们仍处于理解这种量子现象的非常早期的阶段，因此必须有根本性的发现
"
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