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圖片來源：pixabay

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撰文 | 湯姆·加林豪斯（Tom Garlinghouse）

翻譯 | 董婉瑜

審校 | 王昱

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這種現(xiàn)象被稱為量子振蕩，只存在于金屬中，而絕緣體中是通常觀測(cè)不到量子振蕩的。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為我們對(duì)量子世界的理解提供了新視角，同時(shí)也代表可能存在一種全新類型的量子粒子。

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這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了一直以來公認(rèn)的金屬與絕緣體的區(qū)別，因?yàn)楝F(xiàn)有的材料量子理論認(rèn)為，絕緣體是不應(yīng)該存在量子振蕩的。

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“如果我們的推測(cè)是正確的，那么我們眼前的就是一種全新形式的量子物質(zhì)?！弊罱凇蹲匀弧冯s志上詳細(xì)介紹這一新發(fā)現(xiàn)的主要作者，普林斯頓大學(xué)助理教授吳三豐（Sanfeng Wu）說道。“我們?cè)O(shè)想，絕緣體中存在一個(gè)全新的量子世界，只是過去幾十年來我們都沒有識(shí)別到它?！?/p>

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一直以來，人們都認(rèn)為能否觀測(cè)到量子振蕩是金屬與絕緣體的標(biāo)志性區(qū)別。在金屬中，電子可以自由移動(dòng)，電阻率（電傳導(dǎo)時(shí)遇到的阻力）很低。近100多年前，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，極低的溫度加上磁場(chǎng)的作用，可以使電子從平常狀態(tài)變成量子態(tài)，從而引起電阻率的振蕩。相比之下，在絕緣體中，材料電阻率很高，電子不能移動(dòng)，因此無論施加任何強(qiáng)度的磁場(chǎng)，都不應(yīng)該出現(xiàn)這種量子振蕩。

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這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是科學(xué)家在研究一種叫做二碲化鎢的材料時(shí)取得的。他們將二碲化鎢制成了二維材料，方法是用常見的透明膠帶將材料一層一層剝落，“剃”成一層單原子薄片。厚的二碲化鎢性質(zhì)像金屬，而一旦被制成單層，就會(huì)變成一種強(qiáng)絕緣體。

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“這種材料有許多特殊的量子特性。”吳三豐說。

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隨后，研究人員開始測(cè)量二碲化鎢在磁場(chǎng)下的電阻率。出人意料的是，盡管絕緣體的電阻率相當(dāng)大，但隨著磁場(chǎng)增加，它的電阻率開始振蕩，說明它變成了量子態(tài)。沒錯(cuò)，這種強(qiáng)絕緣材料，表現(xiàn)出了本應(yīng)該是金屬獨(dú)有的、最顯著的量子特性。

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“這完全超出我們預(yù)料。”吳三豐說?！拔覀儐栕约骸烤乖趺椿厥?？’我們現(xiàn)在也沒有完全理解?！彼赋?，目前還沒有任何理論可以解釋這一現(xiàn)象。

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盡管如此，吳三豐和他的同事提出了一個(gè)激進(jìn)的假說：存在一種電中性的新型量子物質(zhì)?！坝捎诜浅?qiáng)的相互作用，電子正在組織起來，形成這種新型量子物質(zhì)。”

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但最終產(chǎn)生振蕩的不是電子，吳三豐說。相反，他們認(rèn)為在電子強(qiáng)大的相互作用下產(chǎn)生了一種新型粒子，他們稱之為“中性費(fèi)米子”，而中性費(fèi)米子產(chǎn)生了顯著的量子效應(yīng)。

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費(fèi)米子是包括電子在內(nèi)的一類量子粒子。在量子材料中，帶電的費(fèi)米子可以是帶負(fù)電的電子，也可以是帶正電的空穴（hole），它們都負(fù)責(zé)電傳導(dǎo)。也就是說，如果材料是電絕緣體，那么這些帶電費(fèi)米子就不能自由移動(dòng)。然而，理論上，不帶正電或負(fù)電的中性粒子有可能存在于絕緣體中并能自由移動(dòng)。

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“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與所有基于帶電費(fèi)米子的理論沖突。”論文的共同第一作者，博士后研究助理王鵬杰（Pengjie Wang）說?！暗绻嬖谥行再M(fèi)米子，就可以解釋得通?！?/p>

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普林斯頓的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步研究二碲化鎢的量子特性。他們非常想知道自己的假設(shè)是否成立，即能否真的驗(yàn)證新型量子粒子的存在。

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“這只是一個(gè)起點(diǎn)。”吳三豐說?！叭绻覀儧]有出錯(cuò)的話，那么未來的研究者也會(huì)從其他絕緣體中發(fā)現(xiàn)這種驚人的量子特性?！?/p>

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盡管對(duì)這項(xiàng)新研究的結(jié)果只有初步的解釋，吳三豐已經(jīng)在思考這種現(xiàn)象該如何投入實(shí)際應(yīng)用中。

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“未來中性費(fèi)米子可能會(huì)用在量子計(jì)算中，用于編碼信息?！彼f?！暗c此同時(shí)，我們對(duì)這種量子現(xiàn)象的理解還處于非常早期的階段，所以還有很多基礎(chǔ)性質(zhì)有待發(fā)現(xiàn)。”

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原文鏈接：https://phys.org/news/2021-01-discovery-quantum-behavior-insulators-particle.html

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