物理学家首次观测到新的量子态

2025年7月，在美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室，一块不起眼的材料被缓缓推进超高强度的磁场设备中。

实验室的操控台上，一组组仪器正在记录变化。研究人员逐步将磁场强度调高，10特斯拉、20、40……直到逼近70特斯拉，那是人类目前能稳定实现的极限之一。

比起我们日常生活中能接触到的任何磁场，它强得几乎难以想象。

而就在接近顶点的一瞬间，他们等了很久的那个信号出现了：材料的电导率，突然剧烈下降。

但这并不是系统崩溃的迹象。相反，对这些研究者而言，它像是一道量子世界的低语，终于回应了几十年来的猜想和期盼。那一刻，他们意识到，自己可能捕捉到了某种全新的物态。

来自加州大学欧文分校的研究团队后来确认，他们确实首次在实验中观测到了一种被理论物理学家们设想已久的状态。这种状态中，电子会和它们的“反身影”——空穴，自发地结合成一对对“激子”。

所谓空穴，并不是一种真实存在的粒子，而是电子缺失之后留下的那种能量空位，它表现得像是电子的反粒子。

激子是一种特殊的量子对，它本身不带电荷，但具有丰富的内部结构。而这次所观测到的激子，更为特殊：电子和空穴的自旋方向一致，形成了所谓“自旋三重态”的凝聚体系。这种状态此前从未在实验证据中出现过。

如果要用更形象的方式描述，可以想象电子和空穴像是两个在混乱中找到了节奏的舞者，它们自发地缠绕在一起，在极端的磁场中形成一种新的秩序。

材料的表现也随之发生了剧烈转变，它几乎停止传导电流，但并不沉寂，而是在内部展开了一种前所未有的量子协同。

研究的核心材料是一种叫做碲化五铪的窄带隙半导体，由研究团队成员刘金钰博士在实验室里合成。这种材料本身的结构非常微妙，具备形成强烈电子-空穴相互作用的条件。

但即使如此，若没有极端强磁场的介入，也无法进入那个特殊的量子区域。

也正因此，他们选择了在洛斯阿拉莫斯国家实验室进行实验，借助那里的磁场设施，才得以真正把这块材料推入到“超量子极限”之中。

当材料进入那种状态后，它不再依赖电荷来传递信号，而是依靠自旋。

这种机制本质上不同于当今绝大多数电子器件的工作原理。换句话说，如果未来人们能稳定地操控这种物态，甚至在常温条件下复现它，那我们对于信息处理、能源效率、器件设计的理解，可能都要被改写。

这不仅意味着一种更低能耗的计算方式，也许还预示着一种全新的器件架构——不再以电流为核心，而是以量子状态为基本逻辑单元。

更现实的一点是，这种量子态极其稳定，几乎不受宇宙辐射干扰。

普通电子设备在太空中往往极其脆弱，因为高能粒子随时可能打乱电路。而这种状态下的材料，反而能够在那种高能环境中保持安定。

这也解释了为什么研究者会提到它在航天技术中的潜力。

设想一下，在未来人类真正进行深空探测或长期太空任务时，我们或许不再需要为电子元件频繁失效而担忧，而是可以依靠这种不惧辐射、几乎零耗能的材料构建新的信息系统。

这项研究背后，是一个跨学科协作的团队。

从材料合成到器件制备，再到理论建模和高磁场实验，每一步都耗费了大量时间和精力。其中既有资深科学家的判断，也有年轻研究者的坚持和细致操作。

刘金钰博士带领的团队在实验室中一遍遍测试晶体的生长条件，而在理论端，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们则用模型反复推演激子态可能形成的机制和表现。在极端条件下验证一种理论，既需要技术能力，也需要耐心和一点点冒险精神。

物理世界的本质，从来不只藏在宏观尺度的机器与构造中，很多时候，它潜伏在那些我们无法直观想象的微观空间里。这次的发现虽然离工程应用还很远，但却为人类打开了一条极其深远的新路径。

我们也许无法预测它最终会通向哪里，但它已经提供了一个可能性：或许我们未来使用的计算设备，并不需要电子在电路中奔跑，它们可以更安静地协作，只靠自旋传递信息，几乎不发热，不耗电，也不怕宇宙射线。

当然，这些场景距离现实还有很多步骤。但在物理学里，很多改变世界的工具，都曾是从一项没人听懂的小实验开始的。从一块在70特斯拉下失去电导率的晶体，到可能重塑计算方式的基础材料，中间的距离并不一定有那么遥远。

有时候，重要的不是它能做什么，而是它提醒了我们：世界比我们习惯的那一套物理逻辑更大。它还可以是别的样子。

（参考：DOI ：10.1103/bj2n-4k2w）