一个反常量子现象中，隐藏着全新的粒子？

环球科学 2021-01-26

　　撰文 | 汤姆·加林豪斯（Tom Garlinghouse）

　　翻译 | 董婉瑜

　　审校 | 王昱

　　在一项惊人的发现中，普林斯顿的物理学家从一种名为二碲化钨的物质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，只存在于金属中，而绝缘体中是通常观测不到量子振荡的。这项发现为我们对量子世界的理解提供了新视角，同时也代表可能存在一种全新类型的量子粒子。

　　这一发现挑战了一直以来公认的金属与绝缘体的区别，因为现有的材料量子理论认为，绝缘体是不应该存在量子振荡的。

　　“如果我们的推测是正确的，那么我们眼前的就是一种全新形式的量子物质。”最近在《自然》杂志上详细介绍这一新发现的主要作者，普林斯顿大学助理教授吴三丰（Sanfeng Wu）说道。“我们设想，绝缘体中存在一个全新的量子世界，只是过去几十年来我们都没有识别到它。”

　　一直以来，人们都认为能否观测到量子振荡是金属与绝缘体的标志性区别。在金属中，电子可以自由移动，电阻率（电传导时遇到的阻力）很低。近100多年前，科学家就发现，极低的温度加上磁场的作用，可以使电子从平常状态变成量子态，从而引起电阻率的振荡。相比之下，在绝缘体中，材料电阻率很高，电子不能移动，因此无论施加任何强度的磁场，都不应该出现这种量子振荡。

　　这项发现是科学家在研究一种叫做二碲化钨的材料时取得的。他们将二碲化钨制成了二维材料，方法是用常见的透明胶带将材料一层一层剥落，“剃”成一层单原子薄片。厚的二碲化钨性质像金属，而一旦被制成单层，就会变成一种强绝缘体。

　　“这种材料有许多特殊的量子特性。”吴三丰说。

　　随后，研究人员开始测量二碲化钨在磁场下的电阻率。出人意料的是，尽管绝缘体的电阻率相当大，但随着磁场增加，它的电阻率开始振荡，说明它变成了量子态。没错，这种强绝缘材料，表现出了本应该是金属独有的、最显著的量子特性。

　　“这完全超出我们预料。”吴三丰说。“我们问自己‘究竟怎么回事？’我们现在也没有完全理解。”他指出，目前还没有任何理论可以解释这一现象。

　　尽管如此，吴三丰和他的同事提出了一个激进的假说：存在一种电中性的新型量子物质。“由于非常强的相互作用，电子正在组织起来，形成这种新型量子物质。”

　　但最终产生振荡的不是电子，吴三丰说。相反，他们认为在电子强大的相互作用下产生了一种新型粒子，他们称之为“中性费米子”，而中性费米子产生了显著的量子效应。

　　费米子是包括电子在内的一类量子粒子。在量子材料中，带电的费米子可以是带负电的电子，也可以是带正电的空穴（hole），它们都负责电传导。也就是说，如果材料是电绝缘体，那么这些带电费米子就不能自由移动。然而，理论上，不带正电或负电的中性粒子有可能存在于绝缘体中并能自由移动。

　　“我们的实验结果与所有基于带电费米子的理论冲突。”论文的共同第一作者，博士后研究助理王鹏杰（Pengjie Wang）说。“但如果存在中性费米子，就可以解释得通。”

　　普林斯顿的团队计划进一步研究二碲化钨的量子特性。他们非常想知道自己的假设是否成立，即能否真的验证新型量子粒子的存在。

　　“这只是一个起点。”吴三丰说。“如果我们没有出错的话，那么未来的研究者也会从其他绝缘体中发现这种惊人的量子特性。”

　　尽管对这项新研究的结果只有初步的解释，吴三丰已经在思考这种现象该如何投入实际应用中。

　　“未来中性费米子可能会用在量子计算中，用于编码信息。”他说。“但与此同时，我们对这种量子现象的理解还处于非常早期的阶段，所以还有很多基础性质有待发现。”