“真奇异”的量子发现违背物理规则

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251108083908.htm

密歇根大学物理学家陆力领导的国际研究团队在国家磁场实验室的极端条件下发现,绝缘材料硼化镱在35特斯拉强磁场中表现出违反传统物理学预期的量子振荡现象,且这种效应源自材料内部而非表面。这项发表于《物理评论快报》的研究彻底推翻了量子振荡只能在导电材料中发生的长期假设,揭示了一种全新的"材料二元性"——同一化合物既可表现为绝缘体又可展现金属特性。虽然这种现象目前仅在实验室的极端磁场条件下观察到,但它代表了对量子材料基本认知的重大突破,可能为理解强关联电子系统开辟新的研究方向,尽管其实际应用前景仍有待探索。

量子振荡是一种在金属中观察到的奇特现象,当电子在强磁场作用下表现得像微小弹簧一样振动时就会发生。通过改变磁场强度,科学家可以调控这些"电子弹簧"的运动频率,这种效应长期以来被认为是金属材料独有的特征,因为它需要自由移动的电子载流子参与。绝缘体因其电子被束缚在原子附近无法自由移动,理论上不应该产生这种量子振荡效应。

然而近年来,研究人员开始在绝缘材料中观察到相同的量子振荡现象,这一发现引发了物理学界的激烈争论。争议的焦点在于这种效应的起源机制:是来自材料表面的特殊电子态,还是源自材料内部的体相性质。如果振荡来自表面,那将特别令人兴奋,因为这类拓扑绝缘体——表面导电而内部绝缘的材料——已经被广泛研究用于开发新型电子、光学和量子器件。

陆力团队选择硼化镱作为研究对象,这种化合物属于强关联电子系统,其电子行为无法用传统的能带理论简单解释。在室温和常规条件下,硼化镱表现为典型的绝缘体,电阻极高且不导电。但当研究人员将其置于国家磁场实验室35特斯拉的超强磁场中时,材料展现出完全不同的性质。这个磁场强度约为医院核磁共振成像设备的35倍,代表了目前实验室能够稳定产生的最强磁场之一。

体相起源的实验证据

为了确定量子振荡的起源,研究团队设计了一系列精密实验来区分表面效应和体相效应。表面效应通常对样品厚度、表面处理和环境条件高度敏感,而体相效应则主要取决于材料的本征性质。通过系统性地改变样品几何形状、表面状态和测量配置,研究人员积累了大量实验数据。

密歇根大学研究员关文辰和包括袁朱、郑国鑫、张德辰、艾伦·陈和凯拉·詹金斯在内的研究生团队参与了这项复杂的实验工作。他们采用多种互补的测量技术,包括磁阻测量、霍尔效应测量和量子振荡谱学分析,从不同角度验证实验结果的可靠性。

实验结果明确显示,观察到的量子振荡并非来自材料表面,而是源自硼化镱的体相结构。这一发现具有深远意义,因为它表明绝缘材料的内部可以在特定条件下表现出金属特性,挑战了导体和绝缘体之间的传统界限。陆力指出,这推翻了认为具有良好导电表面的天真图景完全错误的观念,整个化合物在极端条件下的行为就像金属,即使它本质上是绝缘体。

一个国际团队发现，量子振荡可以从绝缘体的大部分产生，而不仅仅是其表面。这一发现揭示了一个新领域，即材料在极端磁场下可以像金属一样发挥作用。图片来源：AI/ScienceDaily.com

这种现象的微观机制仍然是个谜。传统理论认为,量子振荡需要费米面——占据态和空态之间的界面——的存在,这在绝缘体中应该是不存在的。硼化镱中观察到的现象表明,可能存在某种未知的中性载流子或集体激发模式,在强磁场作用下能够产生类似于费米面的效应。这种载流子的确切性质和形成机制目前尚不清楚,需要进一步的理论和实验工作来阐明。

袁朱表示,确认振荡是体相的和本征的令人兴奋,但团队还不知道什么样的中性粒子负责这种观测现象。他们希望这一发现能够激发进一步的实验和理论研究工作,推动对这一神秘现象的深入理解。

物理学新二元性的提出

陆力将这一发现置于更广阔的物理学发展历程中,提出了"新二元性"的概念。他将其与物理学史上的"古老二元性"进行类比,后者指的是一个多世纪前科学家意识到的光和物质的波粒二象性。这一发现彻底改变了物理学,催生了量子力学理论,并推动了太阳能电池、激光器和电子显微镜等革命性技术的发展。

新的二元性涉及材料既可以充当导体又可以充当绝缘体的能力,这种性质不是静态的,而是可以通过外部条件如磁场强度来调控。在常规条件下,硼化镱表现为绝缘体,电子被局域在原子附近。但在强磁场作用下,材料的电子结构发生根本性改变,出现了能够参与导电的载流子,使整个材料表现出金属特性。

这种可调控的导体-绝缘体转换为材料科学开辟了新的可能性。虽然目前这种效应只能在极端实验条件下观察到,但它揭示了物质在量子层面上可能存在的丰富相变行为。随着对其微观机制理解的深入,未来可能开发出在更温和条件下实现类似效应的方法。

从基础物理学角度看,这一发现对理解强关联电子系统具有重要价值。在这类材料中,电子之间的库仑相互作用与其动能相当,导致复杂的多体量子效应,传统的单电子近似理论失效。硼化镱中观察到的现象可能代表了一种新的强关联物态,为理解高温超导、量子自旋液体等奇异物态提供了新的视角。

该研究的国际合作性质也值得注意。来自美国和日本六个机构的十多名科学家参与了这项工作,体现了现代物理学研究的全球化特征。项目得到了美国国家科学基金会、能源部、复杂适应性物质研究所、戈登和贝蒂摩尔基金会,以及日本学术振兴会和科学技术振兴机构的支持,显示了各国对基础物理研究的重视。

未来研究方向与挑战

尽管这一发现在科学上具有重大意义,但陆力坦承其实际应用前景仍不明确。他幽默地表示很想声称有很棒的应用,但目前的工作不断将这个梦想推得更远。然而,历史告诉我们,许多看似纯理论的发现最终都找到了重要应用,量子力学本身就是最好的例子。

当前的首要任务是理解这种现象的微观机制。需要开发新的理论框架来描述绝缘体中的量子振荡,这可能涉及对强关联电子系统、拓扑物态和量子临界现象的深入研究。同时,寻找其他材料中的类似现象也很重要,这将有助于建立更普遍的理论图景。

实验技术的进步也是关键因素。目前的发现依赖于极强的磁场,这限制了进一步研究的范围。开发能够在更温和条件下观察和调控这种现象的方法,将大大扩展其研究和应用潜力。这可能涉及新的实验技术、材料工程方法或外场调控策略的发展。

从长远看,对材料二元性的理解可能催生新的技术概念。能够在导体和绝缘体状态间可控切换的材料,可能在量子计算、信息存储或传感技术中找到应用。虽然这些可能性目前还很遥远,但基础研究的突破往往为技术创新奠定了不可预见的基础。

这项研究也强调了基础科学研究的重要性。在追求立竿见影的技术突破的时代,像陆力团队这样专注于揭示自然基本规律的工作显得尤为可贵。正如他所说,这些发现的价值纯粹在于揭示宇宙的奇妙之处,而这种对自然的好奇心和探索精神,正是推动人类文明进步的根本动力。