絕緣體發生量子振盪現象,科學家:可能出現一種全新量子粒子

作者 | 發布日期 2021 年 01 月 12 日 16:13 | 分類 材料、設備 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


有一個全新的量子世界,就隱藏在絕緣體中。最近科學家意外在絕緣體內發現了量子振盪,這原本是屬於金屬的獨有現象,可能暗指其中有新的量子粒子存在。

金屬與絕緣體的差異相當明顯,基本來講,金屬導電,絕緣體則不導電,從分子角度來看,這取決於電子在材料中的自由移動方式:由於金屬原子容易失去外層電子,因此晶體外面有一層電子雲,這也是金屬作為電與熱良導體的原因;絕緣體則是種能阻礙電荷流動的材料,玻璃、紙、聚四氟乙烯等材料都是非常好的電絕緣體。

長期以來,科學家都認為量子振盪是點出金屬與絕緣體之間差異的指標。在金屬中,電子具高度移動性,電阻率(抗導電性)很弱,而約一個世紀前,研究人員觀察到當處於磁場與極低溫環境下,電子會從「經典」態轉變為量子狀態,從而引起金屬量子振盪(quantum oscillation);相比之下,在絕緣體中電子無法移動,加上材料電阻率非常高,因此無論施加多少磁場強度,都不會發生量子振盪。

然而當美國普林斯頓大學團隊在研究二碲化鎢(ungsten ditelluride,縮寫 WTe2)這種材料時,意外發生了。

研究人員將二碲化鎢逐漸刮至單原子薄層,發現厚的二碲化鎢材料行為類似金屬,但當轉為單層時卻會變成超堅固絕緣體;接著研究人員著手測量單層二碲化鎢在磁場下的電阻率,發現絕緣體的電阻率雖然還是很大,但隨著磁場增加開始出現振盪,表現出金屬最顯著的量子特性,也就是轉變為量子態。

這項發現讓人太過驚訝,因為目前沒有理論可解釋該現象。普林斯頓大學物理系助理教授 Sanfeng Wu 對此提出一個大膽假設:也許有一種新的量子物質從中誕生,且最後不是電子在振盪,而是稱為「中性費米子」的新型粒子藉相互作用非常強的電子產生,並帶來相當出色的量子效應。

在量子材料中,帶電的費米子可以是帶負電的電子或帶正電的電洞,負責導電,換句話說如果該材料是電絕緣體,則這些帶電的費米子無法自由移動。但是從理論上講,不帶負電荷也不帶正電荷的中性粒子可以在絕緣體中存在並移動。實驗結果與所有帶電荷費米子的理論都相抵觸,唯有中性費米子能解釋。

如果這項實驗數據沒有失誤,則未來可能發現更多同樣具有量子特性的絕緣體,一個隱藏在絕緣體中的全新量子世界。團隊表示還需要更多實驗來驗證是否真的存在中性費米子,或尋找其他也能解釋的現有理論。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:普林斯頓大學