绝缘体中量子行为的发现表明可能存在新的粒子

普林斯顿大学的物理学家们在一种叫做二碲化钨的材料制成的绝缘体中发现了一种意想不到的量子行为。这种被称为量子振荡的现象通常在金属中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视角。这些发现还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，绝缘体不被认为能够经历量子振荡。

由普林斯顿大学物理学家领导的一个团队在由二碲化钨制成的原子薄绝缘体中发现了一个令人惊讶的量子现象。结果表明，以前隐藏在绝缘体中的全新量子相的形成。

Image designed by Kai Fu for the Wu Lab, Princeton University

“如果我们的解释是正确的，我们看到的是一种全新的量子物质形式，”普林斯顿大学(Princeton University)物理学助理教授吴三峰(Sanfeng Wu)说。“我们现在正在想象一个隐藏在绝缘体中的全新量子世界。有可能我们只是在过去几十年里漏掉了对它们的识别。”

长期以来，对量子振荡的观察一直被认为是金属和绝缘体之间区别的标志。在金属中，电子的移动性很强，电阻率(对导电的电阻)很弱。近一个世纪前，研究人员观察到，在极低的温度下，磁场可以使电子从“经典”态转变为量子态，从而引起金属电阻率的振荡。相反，在绝缘体中，电子不能移动，材料具有很高的电阻率，因此无论施加多大的磁场，这种量子振荡都不会发生。

这一发现是研究人员在研究一种叫做二碲化钨的材料时发现的，他们将这种材料制成了一种二维材料。他们通过使用标准的透明胶带来不断地去角质，或“刮除”这些层，直到所谓的单层——一个单原子薄层。厚的二碲化钨具有金属的性质。但是一旦它转变成单层，它就变成了一个非常强的绝缘体。

“这种材料有很多特殊的量子特性，”吴说。

研究人员随后开始测量单层二碲化钨在磁场下的电阻率。令他们惊讶的是，绝缘体的电阻率虽然很大，但随着磁场的增加开始振荡，这表明它向量子态转移。实际上，这种材料——一种非常强的绝缘体——表现出了金属最显著的量子特性。

“这完全出乎我的意料，”吴说。“我们问自己，‘这是怎么回事?’我们还没有完全理解。”

吴指出，目前还没有理论来解释这一现象。

尽管如此，吴和他的同事们还是提出了一个颇具争议的假设——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，从而产生这种新型量子物质，”吴说。

但最终振荡的不再是电子，吴说。相反，研究人员认为，他们称之为“中性费米子”的新粒子，是由这些相互作用强烈的电子产生的，是产生这种非常显著的量子效应的原因。

费米子是包括电子在内的一类量子粒子。在量子材料中，带电荷的费米子可以是带负电荷的电子，也可以是负责导电的带正电荷的“空穴”。也就是说，如果材料是电绝缘体，这些带电荷的费米子就不能自由移动。然而，中性的粒子——即既不带负电荷也不带正电荷——理论上可能存在于绝缘体中并可移动。

“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，”该论文的共同第一作者、博士后研究助理王鹏杰说，“但可以在带电费米子存在的情况下得到解释。”

普林斯顿大学的研究小组计划进一步研究二碲化钨的量子特性。他们特别感兴趣的是发现他们的假说——一种新的量子粒子的存在——是否有效。

“这只是一个起点，”吴说。“如果我们是正确的，未来的研究人员将发现其他具有这种惊人量子特性的绝缘体。”

尽管这项研究很新颖，对结果也有尝试性的解释，但Wu推测这一现象将如何应用于实际。

他说:“中性费米子有可能在未来被用于编码信息，这将对量子计算有用。”“但与此同时，我们在理解这样的量子现象方面仍处于非常早期的阶段，所以必须做出基础性的发现。”

这项研究是在吴三峰教授(左二)的指导下完成的，摄于2020年1月，他的实验室成员包括两位合作第一作者:研究生余国(左)和博士后研究员王鹏杰(右)。普林斯顿大学的其他合著者包括研究生贾彦宇(中)和迈克尔·奥尼什扎克(右二)。

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除了Wu和Wang，该团队还包括共同第一作者，电气工程研究生郭宇和物理学研究生贾艳宇。普林斯顿大学的其他重要贡献者还有化学助理教授莱斯利·斯库普;拉塞尔·威尔曼·摩尔化学教授罗伯特·卡瓦;物理学研究生Michael Onyszczak;以及三名前博士后研究助理:雷世明、塞巴斯蒂安·克莱门茨和f·亚历山大·塞瓦洛斯，他也是2018年普林斯顿大学博士校友。日本国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi也有贡献。

“朗道量化和高度移动费米子在绝缘体中,“东海之滨王,郭,考察,迈克尔•Onyszczak f·亚历山大•Cevallos世明,塞巴斯蒂安Klemenz,吴克群渡边隆谷口,Robert j .静脉,莱斯利·m·Schoop三丰吴,1月4日发表在《自然》杂志上(DOI: 10.1038 / s41586 – 020 – 03084 – 9)。

美国国家科学基金(NSF)、普林斯顿大学材料研究科学与工程中心(DMR-1420541和DMR-2011750)和CAREER award (DMR-1942942)资助。早期的测量是在美国国家科学基金会(NSF)合作协议(DMR-1644779)和佛罗里达州支持的国家高磁场实验室(National High Magnetic Field Laboratory)进行的。额外的支持来自日本文部科学省(JPMXP0112101001)、日本科学促进会(Japan Society for the Promotion of Science)的KAKENHI计划(JP20H00354)和日本科学技术厅(Japan Science and Technology Agency)的CREST计划(JPMJCR15F3)。进一步的支持来自美国陆军研究办公室拓扑绝缘体多学科大学研究计划(W911NF1210461)、阿诺德和梅布尔贝克曼基金会(通过贝克曼青年研究员基金)和戈登和贝蒂摩尔基金会(GBMF9064)。