到目前为止，量子粒子很难被描述出来，如果它们之间存在强烈的相互作用，几乎不可能被控制。
由普林斯顿大学物理学家扎希德·哈桑领导的一个国际研究小组发现，物质的量子态可以随意“调谐”，其可调谐性是现有理论所能解释的10倍。这种水平的可操作性为下一代纳米技术和量子计算提供了巨大的可能性。
尤金·希金斯(Eugene Higgins)物理学教授哈桑(Hasan)说:“我们为量子拓扑世界找到了一个新的控制旋钮。”“我们预计这只是冰山一角。将会有一个新的材料或物理学的子领域由此而生。这将是纳米工程的一个梦幻游乐场。”
哈桑和他的同事们的研究成果发表在最新一期的《自然》杂志上，他们称自己的发现是一种“新颖的”物质量子态，因为现有的物质属性理论无法解释这一现象。
哈桑在Jadwin Hall的办公室里与尹和张讨论了这一发现。
尹家新(音译)是一名博士后研究助理，也是该论文的三位第一作者之一。尹家新说，哈桑对超越已知物理学边缘的兴趣吸引了他来到自己的实验室。
“但是当我和哈桑教授交谈时，他告诉了我一些非常有趣的事情，”尹说。“他在寻找物质的新阶段。这个问题没有定义。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。在物质的量子阶段，电子之间的相互作用更为复杂。
“这确实可能是物质新量子阶段的证据——对我来说，这令人兴奋，”加州理工学院(California Institute of Technology)物理学教授、普林斯顿大学(Princeton) 2009年博士研究生谢大卫(David Hsieh)说，他没有参与这项研究。“他们给出了一些线索，表明可能正在发生一些有趣的事情，但还需要做大量的后续工作，更不用说一些理论支持，来看看究竟是什么导致了他们所看到的情况。”
哈桑一直致力于拓扑材料这个开创性的子领域，这是凝聚态物理学的一个领域。几年前，他的团队在这里发现了拓扑量子磁体。在目前的研究中，他和他的同事们“发现了一种奇怪的量子效应，这种新型拓扑磁铁我们可以在量子水平上控制，”哈桑说。
关键不是看单个粒子，而是看它们在磁场中相互作用的方式。哈桑说，一些量子粒子，比如人类，单独行动和在一个群体中行动是不同的。他说:“你可以研究粒子基本原理的所有细节，但无法预测当你把它们放在一起，它们开始强烈地相互作用时，会出现什么样的文化、艺术或社会。”
为了研究这种量子“文化”，他和他的同事们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。他们使用了由中国大陆、台湾和普林斯顿大学合作小组准备的各种材料。一个特别的安排,6倍蜂窝形状称为“戈薇晶格”相似的日本编织篮子模式,导致了一些令人吃惊的——但只有在分光显微镜下检查的存在一个强大的磁场,在哈桑的实验室设备发现拓扑量子物质和先进的光谱,位于普林斯顿的Jadwin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，正如拓扑量子kagome磁铁表面的这些电子波干涉图所示。每一种图案都是由施加在样品上的外磁场的特定方向产生的。
所有已知的物理学理论都预测电子会遵循六倍的基本模式，但相反，悬浮在原子上方的电子决定走向自己的鼓点——以一条两倍对称的直线行进。
“电子决定重新定向，”哈桑说。他们忽略了晶格对称性。他们决定这样跳，那样跳，在一条线上，比横着跳更容易。这就是新领域。电子可以忽略晶格而形成它们自己的社会。”
加州理工学院的谢长廷指出，这是一种非常罕见的效应。他说:“我可以用一只手来计算”显示这种行为的量子材料的数量。
哈桑实验室的研究生、论文的另一位第一作者张松田(音译)说，研究人员对这种双重安排感到震惊。她说:“和其他拓扑材料一样，我们原本希望能找到一些六倍的材料，但我们发现了一些完全出乎意料的东西。”“我们一直在调查——为什么会发生这种情况?-我们发现了更多意想不到的事情。这很有趣，因为理论家根本没有预测到。我们刚刚发现了一些新东西。”
电子和原子排列之间的解耦已经足够让人惊讶了，但随后研究人员施加了一个磁场，发现他们可以将这条线转向任何他们选择的方向。在不移动晶格的情况下，张可以通过控制电子周围的磁场来旋转电子线。
哈桑说:“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。”“对于人类来说，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位电子的多体文化。”
研究人员还不能解释原因。
“磁场对材料的电子性质产生如此巨大的影响，这是很罕见的，”哈佛大学(Harvard University)物理学教授、物理系系主任苏比尔·萨赫德夫(Subir Sachdev)说。他没有参与这项研究。
比这种被称为各向异性的脱钩现象更令人惊讶的是，这种效应的规模是理论预测的100倍。物理学家们用一个叫做“g因子”的术语来描述量子级磁性，这个术语没有单位。真空中电子的g因子被精确地计算为略大于2，但在这种新材料中，研究人员发现，当电子之间强烈相互作用时，有效的g因子为210。
哈桑说:“在拓扑材料中，没有人预测到这一点。
“基于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，因为它展示了一种未知的效应，”他说。这对纳米技术研究，特别是传感器的开发具有重要意义。在量子技术的尺度上，由于微小材料的有效g因子较低，使得拓扑、磁性和超导性相结合的努力受到阻碍。
哈桑说:“我们发现了一种具有如此大的有效g因子的材料，这意味着适度的磁场可以给系统带来显著的影响，这是非常令人期待的。”“这种巨大且可调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Jadwin Hall地下一层利用扫描隧道光谱显微镜和可旋转矢量磁场功能的两层多组分仪器完成的。这种光谱显微镜的分辨率不到原子的一半，它可以扫描单个原子，并在测量电子能量和自旋分布的同时探测电子的细节。该仪器被冷却到接近绝对零度，并与地板和天花板解耦，以防止甚至原子大小的振动。
哈桑描述了扫描隧穿光谱显微镜的作用，它的分辨率不到原子大小的一半。该仪器位于普林斯顿大学Jadwin Hall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，并与地板和天花板解耦，以防止原子大小的振动。
“降到0。4开尔文。它比星系间的空间还要冷，也就是2.7开尔文。”“不仅如此，样品所在的试管——在试管里，我们创造了一个比地球上层大气还要稀薄一万亿倍的真空环境。我们花了大约5年的时间，才实现了目前实验所必需的多部件仪器的这些微调的操作条件。”
张说:“我们所有人，当我们学习物理时，我们都在寻找事物到底是如何工作的。”“这一发现让我们对它有了更多的了解，因为它是如此出人意料。”
通过发现一种新型的量子组织，张和她的同事们“对推进知识前沿做出了直接的贡献——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前沿。”
该团队包括来自普林斯顿大学物理系的众多研究人员，包括现在和过去的研究生张松田、伊利亚•贝洛波尔斯基、泰勒•科克伦和徐素阳;现与尹佳欣、常国庆、郝铮、边广、连彪等博士后科研人员合作。其他合著者还有李航、姜昆、张秉景、程翔、刘凯、张泰荣、林欣欣、陆中义、王子强、王双佳和王文红。
这篇论文发表在9月12日的《自然》(DOI: 10.1038/s41586-018-0502-7)上。普林斯顿大学的这项工作主要是由戈登和贝蒂摩尔基金会的量子系统新现象计划(批准号:grant no。以及美国能源部基础能源科学部(批准号:DE-FG-02-05ER462000)。