科学家通过扭转晶体对称性，解锁节能量子"超级金属"

研究人员利用微量铟元素改变层状晶体的对称性，从而解锁了其拓扑特性和超导特性。

随着全球对更快计算能力和可持续能源解决方案的需求不断增长，对强大且节能的电子设备的需求变得愈发迫切。

从智能手机、数据中心到电动汽车和下一代量子系统，支撑我们日常生活的技术消耗着巨大的能源。如何在不牺牲性能的前提下减少这种能源消耗，是研究人员们竞相解决的挑战。

莱斯大学（Rice University）的物理学家们现在朝着这个方向迈出了重要一步。由 Ming Yi（易明）和 Emilia Morosan 领导的研究团队开发了一种具有独特电子特性的新型量子材料，这种材料有望催生超高效率的电子系统。这种材料被称为克拉默斯节线金属（Kramers nodal line metal），是通过精确的化学变化对其原子结构进行微调而创造出来的。

物理学与天文学副教授易明表示：“我们的工作为发现和设计具有未来电子学所需特性的新型量子材料提供了一条清晰的路径。”

通过改变对称性解锁新行为

莱斯大学团队通过将微量的铟（indium）引入层状化合物二硫化钽（TaS₂）中来设计这种材料。这一微小的调整引发了晶体对称性的变化，从而产生了高度不寻常的电子行为。

关键的发现是一种罕见的电子流动模式，称为克拉默斯节线行为（Kramers nodal line behavior）。在改造后的结构中，具有相反自旋方向的电子沿着动量空间（momentum space）中的不同路径移动，类似于汽车在分隔的高速公路上朝相反方向行驶。这些路径在到达节线（nodal line）之前始终保持分离。节线是一种受保护的状态，能够实现不寻常的传导特性。

同时担任电气与计算机工程、化学教授以及莱斯量子材料中心主任的 Emilia Morosan 说：“设计一种材料以满足这些特殊特性所需的严格对称性条件具有挑战性，但结果是值得的。”

一种抵抗能量损失的材料

除了其拓扑特性外，这种新材料还表现出超导特性，使其能够在无能量损失的情况下传输电流。这种罕见的双重行为 —— 拓扑结构结合超导性 —— 使该材料成为拓扑超导体（topological superconductor）的有力候选者。此类系统有望实现更稳定的量子计算平台并提高电力传输效率。

研究人员调整了不同的成分比例以优化材料的性能。他们的目标是通过精确的化学设计同时增强其结构特性和量子特性。

连接理论与实验，推动未来突破

为了验证实验结果，研究团队采用了第一性原理理论计算（first-principles theoretical calculations）。模型计算结果与实验室数据高度吻合，证实了该材料的电子拓扑结构，并强化了研究结果。

通过发现并调整这种新型克拉默斯节线金属，研究人员不仅增进了对量子材料的理解，也朝着开发下一代节能技术更近了一步。

该研究的共同作者、斯莫利-柯尔研究所（Smalley-Curl Institute）所长 Junichiro Kono 表示：“这项开创性的工作体现了定义斯莫利-柯尔研究所的创新精神。它推进了我们的使命，即促进跨多个学科的协作，将物理学、材料科学与工程学结合起来，探索物质中新的量子行为。”

共同第一作者、博士生 Yuxiang Gao（高宇翔）补充道：“仍有许多值得探索之处，我们对这种新材料所展现的未来可能性感到兴奋。”

这项研究发表在《自然·通讯》期刊上。

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