歐洲科學(xué)家在一種量子材料內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了一種全新的物質(zhì)狀態(tài)，其表現(xiàn)出人意料。即便內(nèi)部電子不再像普通粒子那樣運(yùn)作，電流卻在沒(méi)有任何磁場(chǎng)的情況下突然發(fā)生了橫向流動(dòng)。

在高于絕對(duì)零度不到一度的極低溫環(huán)境下，這項(xiàng)新研究在CeRu4Sn6種由鈰、釕和錫組成的晶體，屬于被稱(chēng)為重費(fèi)米子材料的強(qiáng)相互作用金屬類(lèi)別——中發(fā)現(xiàn)了橫向電壓。

以此信號(hào)為指引，奧地利維也納理工大學(xué)的物理學(xué)家希爾克·比勒-帕申教授將其與一種意想不到的狀態(tài)聯(lián)系了起來(lái)。研究團(tuán)隊(duì)將這一結(jié)果描述為巨大的驚喜。

這種橫向電壓在電子不再作為整齊的載流子運(yùn)作的區(qū)域達(dá)到了峰值，制造了一種許多物理學(xué)家曾斷言不可能出現(xiàn)的錯(cuò)配。

一些重費(fèi)米子金屬，即電子表現(xiàn)出異常大質(zhì)量的類(lèi)別，讓這種整齊的載流子圖像開(kāi)始崩塌。

強(qiáng)相互作用可以將一個(gè)電子的能量分散到許多可能性中，因此單一的速度或路徑不再具有意義。這種圖像通常將混亂的相互作用轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)粒子，即攜帶電荷和動(dòng)量的類(lèi)電子包，從而使計(jì)算保持可控。

CeRu4Sn6處于一個(gè)持續(xù)波動(dòng)的區(qū)域，這些波動(dòng)抹去了準(zhǔn)粒子，使物理學(xué)家失去了通常的構(gòu)建模塊。

拓?fù)錉顟B(tài)，即受對(duì)稱(chēng)性和計(jì)數(shù)規(guī)則保護(hù)的電子模式，能夠比通常會(huì)擾亂電子的缺陷存在得更久。

2016年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)強(qiáng)調(diào)了當(dāng)電子以受限方式穿過(guò)固體時(shí)，這種模式是如何出現(xiàn)的。傳統(tǒng)理論仍然將電子視為具有確定能量的粒子，因此拓?fù)鋵W(xué)一直與清晰的能帶聯(lián)系在一起。

CeRu4Sn6打破了這一預(yù)期，它恰恰在準(zhǔn)粒子消失的地方展示了同樣的受保護(hù)行為。

穿過(guò)導(dǎo)體的橫向電壓定義了霍爾效應(yīng)，這是一種移動(dòng)電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向信號(hào)。

通常，磁場(chǎng)會(huì)觸發(fā)這種偏轉(zhuǎn)，這使得霍爾效應(yīng)成為測(cè)量載流子的標(biāo)準(zhǔn)工具。在某些晶體內(nèi)部，貝里曲率——一種使固體中電子運(yùn)動(dòng)發(fā)生彎曲的量子特性，完全可以取代磁鐵。

壓力使團(tuán)隊(duì)能夠調(diào)低波動(dòng)，并追蹤橫向霍爾信號(hào)是如何上升然后崩潰的。

擠壓CeRu4Sn6減弱了這種效應(yīng)，并將其推向更低的溫度，這與量子波動(dòng)的減少相吻合。磁場(chǎng)縮小了響應(yīng)出現(xiàn)的區(qū)域，將一種涌現(xiàn)的拓?fù)浒虢饘佟环N具有受保護(hù)交叉點(diǎn)的金屬，描繪成一個(gè)穹頂狀。

看到這個(gè)穹頂以最不穩(wěn)定的區(qū)域?yàn)橹行模品瞬▌?dòng)與拓?fù)浔仨毾嗷ジ?jìng)爭(zhēng)的舊有預(yù)期。

當(dāng)反演對(duì)稱(chēng)性——一種翻轉(zhuǎn)位置看起來(lái)仍然相同的晶體屬性，缺失時(shí)，即使沒(méi)有磁性，橫向運(yùn)動(dòng)也可能產(chǎn)生。

在CeRu4Sn6中，這種對(duì)稱(chēng)性的缺失意味著即使在零磁場(chǎng)下，作用在電子上的內(nèi)力也不會(huì)抵消。物理學(xué)家將這類(lèi)材料歸類(lèi)為電子結(jié)構(gòu)中具有受保護(hù)交叉點(diǎn)的特殊金屬，CeRu4Sn6符合這一描述。

那些內(nèi)在的對(duì)稱(chēng)性規(guī)則使得橫向電壓更容易被探測(cè)到，因?yàn)榧词乖谕ǔ５牧Ｗ訄D像崩潰時(shí)，信號(hào)仍然可以存在。

早期的猶豫是有道理的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)有理論假設(shè)電子以簡(jiǎn)單、定義明確的方式行為。

團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)新模型，檢查了材料的內(nèi)部相互作用在極低溫度下如何變化，以及當(dāng)這些相互作用開(kāi)始瓦解時(shí)會(huì)發(fā)生什么。該理論不再依賴(lài)整齊的類(lèi)粒子行為，而是尋找即使在最混亂的區(qū)域也能保持穩(wěn)定的更深層模式。

“這是關(guān)鍵的洞見(jiàn)，使我們能夠毫無(wú)疑問(wèn)地證明，主流觀點(diǎn)必須修正，”比勒-帕申說(shuō)道。

實(shí)驗(yàn)室可以在不知道電子每一個(gè)細(xì)節(jié)的情況下，識(shí)別出量子臨界性，一個(gè)具有持續(xù)波動(dòng)的低溫閾值。

在這個(gè)閾值附近，壓力或磁場(chǎng)的微小變化可以重塑整個(gè)材料中的電子運(yùn)動(dòng)，而不僅僅是局部的。對(duì)于CeRu4Sn6，穹頂顯示半金屬恰好在波動(dòng)最劇烈的區(qū)域周?chē)纬?，而不是在秩序穩(wěn)定之后。

這種聯(lián)系提供了一條發(fā)現(xiàn)候選材料的新途徑，特別是在那些通過(guò)溫和調(diào)控就已經(jīng)出現(xiàn)量子臨界性的族群中。

強(qiáng)勁的橫向響應(yīng)不僅僅是一個(gè)奇觀，因?yàn)樗梢栽诓辉黾颖恐卮盆F的情況下引導(dǎo)電流。

在強(qiáng)相互作用金屬中，電子關(guān)聯(lián)可以放大微妙的量子力，將抽象的能帶特征轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電壓。這種控制可以支持敏感傳感器或微小場(chǎng)至關(guān)重要的量子電路，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)者希望減少磁性部件時(shí)。

不過(guò)，這種狀態(tài)僅在接近絕對(duì)零度時(shí)出現(xiàn)，因此實(shí)用的硬件將取決于在更溫暖的溫度下找到類(lèi)似的行為。

單一材料迫使物理學(xué)家將拓?fù)鋵W(xué)與粒子圖像分離，這一改變開(kāi)啟了更清晰的理論。未來(lái)的工作將測(cè)試其他量子臨界金屬，并確定壓力、應(yīng)變或化學(xué)成分是否能將同樣的響應(yīng)帶到實(shí)用的溫度。

這項(xiàng)研究已發(fā)表在《自然》雜志上。