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《自然》:绝缘体中发现量子震荡,推测或许存在新粒子

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普林斯顿物理学家发现了一个令人惊讶的现象,他们在一种由钨制成的绝缘体中观察到了量子振荡。这种现象通常在金属而不是绝缘体中观察出现。

该发现为我们理解量子世界提供了新的见解,也暗示了一种全新的量子粒子的存在。

这一发现还挑战了金属和绝缘体之间长期存在的区别,因为在既定的材料量子理论中,绝缘体被认为不能经历量子振荡。

该研究已发表在《自然》上。

研究人员表示,如果解释正确,那么将发现一种全新形式的量子物质。

对量子振荡的观察长期以来被认为是金属和绝缘体之间差异的标志。在金属中,电子是高度可移动的,因为电阻很弱。

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“典型”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,材料具有非常高的电阻率,因此无论施加的磁场强度如何,这种量子振荡都不太可能发生。

这项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逐渐剥离或“刮削”这些层,直到制成所谓的单层,即单原子薄层,从而制备出这种材料。

厚钨二碲镉汞表现得像金属一样。但是一旦转化成单层,就变成了非常坚固的绝缘体。

研究人员表示“这种材料有许多特殊的量子特性。”

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状态。

这种材料,一种非常坚固的绝缘体居然表现出了金属最显著的量子特性。

研究人员对这一现象也很不解,并表示目前没有理论来解释这一现象。

尽管如此,团队提出了一个颇具挑衅性的假设,存在一种带中性电荷的量子物质。研究人员称“由于非常强的相互作用,电子正在组织自己产生这种新的量子物质”。

研究人员认为,最终振荡的不是电子,而是被他们称为“中性费米子”的新粒子,这些粒子是从这些强相互作用的电子中诞生的,并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负责导电的负电荷电子或正电荷“空穴”。也就是说,如果材料是电绝缘体,这些带电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运动。

研究人员称虽然“实验结果与所有基于带电费米子的现有理论相冲突,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镉汞的量子特性。他们特别感兴趣的是验证他们的假设——关于新量子粒子的存在——是否成立。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03084-9

https://phys.org/news/2021-01-discovery-quantum-behavior-insulators-particle.html

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