探索宇宙奧秘 · 理性思考

想象一下拋硬幣。無論你之前精心把它擺成正面還是反面，用力一拋，等它落下時，正面和反面的概率總是各半。 randomness 似乎是高能激發(fā)后的宿命。

但維也納技術(shù)大學的團隊在一種奇特材料——二硫化鉭（1T-TaS2）晶體中，卻發(fā)現(xiàn)了一個完全反常識的現(xiàn)象。他們用離子作為“量子硬幣”去轟擊材料表面，結(jié)果讓人大跌眼鏡：這枚“硬幣”從不隨機落地，而是每次都精準地翻轉(zhuǎn)到與初始相反的狀態(tài)。

這就像你拋出一枚硬幣，它落下時永遠是反面。這項看似顛覆直覺的發(fā)現(xiàn)，發(fā)表在2026年2月的《納米快報》上。它不僅揭示了量子世界詭異的關(guān)聯(lián)性，更為未來制造“注定翻轉(zhuǎn)”的量子開關(guān)鋪平了道路。

要理解這個實驗，我們得先認識一下主角：二硫化鉬的兄弟——二硫化鉭。它可不是普通材料。

在這種材料表面，電子們并不安分。由于量子效應，它們會自發(fā)組織成一個奇特的圖案：一個六角形的星狀結(jié)構(gòu)。更妙的是，這個“電子雪花”可以有兩種朝向，就像旋轉(zhuǎn)開關(guān)的兩個檔位。

神奇的是，這兩個朝向的能量完全相同。這意味著在常溫下，它們可以隨機出現(xiàn)。這就好比一枚硬幣放在桌上，正面和反面都是穩(wěn)定狀態(tài)，沒有能量高低之分。

科學家們早就知道這種雙穩(wěn)態(tài)的存在，但一直無法精準控制它。你沒法簡單地推它一下，讓它從一個狀態(tài)變成另一個。這就像一個粘住的開關(guān)，你用手指撥不動它。

維也納技術(shù)大學的團隊想到了一個“暴力”但巧妙的辦法：他們不再用手指撥，而是用“炮彈”轟。這炮彈就是高速、高電荷的離子。

為了看清轟擊瞬間發(fā)生了什么，他們把離子束設備從維也納運到了漢堡的DESY同步輻射裝置。那里有強大的X射線，能像高速相機一樣捕捉材料電子結(jié)構(gòu)的瞬息變化。

當高電荷離子以極高速度撞向二硫化鉭表面時，瞬間帶來了巨大能量。這個局部區(qū)域被炸得天翻地覆：電子被撞飛，剩余的電子也被激發(fā)到高能態(tài)，整個電子體系完全“失衡”。

這就像用一股能量巨浪，把之前排列整齊的電子雪花徹底沖亂。然后，團隊觀察了混亂之后的重建過程。

按照常理，混亂過后重建秩序，兩個能量相同的狀態(tài)應該各有50%的幾率出現(xiàn)，就像硬幣落地。實驗結(jié)果卻完全不是這樣。

他們發(fā)現(xiàn)了一個驚人規(guī)律：如果轟擊前，材料的電子態(tài)是“狀態(tài)A”，那么離子撞擊后，它總是恢復成“狀態(tài)B”。如果初始是“狀態(tài)B”，它又會穩(wěn)定地變回“狀態(tài)A”。

這不是隨機，而是一個精準的、可預測的切換過程。離子轟擊就像一把鑰匙，觸發(fā)了材料從一個穩(wěn)態(tài)強制翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)態(tài)的“量子命運”。

為什么會這樣？科學家解釋，這歸因于電子的強關(guān)聯(lián)性。在這種材料里，電子不是孤立的個體，而是一個休戚相關(guān)的集體。

離子轟擊不僅擾動了表面，也深刻地改變了表面電子與材料內(nèi)部電子之間的耦合關(guān)系。結(jié)果就是，與初始狀態(tài)相反的那個電子構(gòu)型，反而與“受傷”后的內(nèi)部環(huán)境更相容、能量更低。于是，系統(tǒng)在恢復時，就自然選擇了那個“被逼無奈”的反向狀態(tài)。

看到這里，關(guān)心中國科技的讀者肯定會問：我們在強關(guān)聯(lián)量子材料領域，做得怎么樣？

首先，對于二硫化鉭這類材料的基礎物性研究，中國科學家一直在第一梯隊。清華大學、北京大學、中科院物理所等機構(gòu)，利用掃描隧道顯微鏡等手段，對這類材料中電子織構(gòu)的調(diào)控和觀測，做出過大量世界級的貢獻。

關(guān)于利用離子束來調(diào)控材料特性，這屬于“離子束技術(shù)”與“量子材料”的交叉領域。中國在蘭州近物所、中科院半導體所等地，擁有先進的離子束裝置和豐富的經(jīng)驗。

但必須實事求是地說，將離子束精準地用于操控特定量子態(tài)的翻轉(zhuǎn)，并揭示其背后的強關(guān)聯(lián)機制，這項由奧地利和德國團隊完成的實驗，在思路上確實非常巧妙且領先。

中國的優(yōu)勢在于強大的材料制備能力和理論計算功底。我們能在超高純度、大尺寸的二硫化鉭晶體生長上做得非常好（背景資料中的晶體就由基爾大學提供，這也是德國的強項）。而在離子與物質(zhì)相互作用的超快動力學過程探測方面，我們需要更多像DESY這樣的大科學裝置和更精密的原位測量手段。

這項研究的價值不在于馬上造出電腦芯片，而在于它展示了“控制量子材料的一種全新模式”。它告訴人們，通過高能離子帶來的極端非平衡態(tài)，我們可以克服能量簡并帶來的隨機性，實現(xiàn)確定性的量子態(tài)翻轉(zhuǎn)。

未來，如果這種“離子筆”能寫得更精細，我們或許就能在原子尺度上，為量子計算機畫出確定性的存儲單元和邏輯門。在這場通往未來量子技術(shù)的競賽中，中國科學家正憑借強大的基礎研究和材料科學積累，緊緊追趕，并隨時準備在這個“量子開關(guān)”的新領域，按下自己的創(chuàng)新按鈕。