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图片来源：pixabay
撰文 | 汤姆·加林豪斯（Tom Garlinghouse）
翻译 | 董婉瑜
审校 | 王昱
这种现象被称为量子振荡，只存在于金属中，而绝缘体中是通常观测不到量子振荡的。这项发现为我们对量子世界的理解提供了新视角，同时也代表可能存在一种全新类型的量子粒子。
这一发现挑战了一直以来公认的金属与绝缘体的区别，因为现有的材料量子理论认为，绝缘体是不应该存在量子振荡的。
“如果我们的推测是正确的，那么我们眼前的就是一种全新形式的量子物质。”最近在《自然》杂志上详细介绍这一新发现的主要作者，普林斯顿大学助理教授吴三丰（Sanfeng Wu）说道。“我们设想，绝缘体中存在一个全新的量子世界，只是过去几十年来我们都没有识别到它。”
一直以来，人们都认为能否观测到量子振荡是金属与绝缘体的标志性区别。在金属中，电子可以自由移动，电阻率（电传导时遇到的阻力）很低。近100多年前，科学家就发现，极低的温度加上磁场的作用，可以使电子从平常状态变成量子态，从而引起电阻率的振荡。相比之下，在绝缘体中，材料电阻率很高，电子不能移动，因此无论施加任何强度的磁场，都不应该出现这种量子振荡。
这项发现是科学家在研究一种叫做二碲化钨的材料时取得的。他们将二碲化钨制成了二维材料，方法是用常见的透明胶带将材料一层一层剥落，“剃”成一层单原子薄片。厚的二碲化钨性质像金属，而一旦被制成单层，就会变成一种强绝缘体。
“这种材料有许多特殊的量子特性。”吴三丰说。
随后，研究人员开始测量二碲化钨在磁场下的电阻率。出人意料的是，尽管绝缘体的电阻率相当大，但随着磁场增加，它的电阻率开始振荡，说明它变成了量子态。没错，这种强绝缘材料，表现出了本应该是金属独有的、最显著的量子特性。
“这完全超出我们预料。”吴三丰说。“我们问自己‘究竟怎么回事？’我们现在也没有完全理解。”他指出，目前还没有任何理论可以解释这一现象。
尽管如此，吴三丰和他的同事提出了一个激进的假说：存在一种电中性的新型量子物质。“由于非常强的相互作用，电子正在组织起来，形成这种新型量子物质。”
但最终产生振荡的不是电子，吴三丰说。相反，他们认为在电子强大的相互作用下产生了一种新型粒子，他们称之为“中性费米子”，而中性费米子产生了显著的量子效应。
费米子是包括电子在内的一类量子粒子。在量子材料中，带电的费米子可以是带负电的电子，也可以是带正电的空穴（hole），它们都负责电传导。也就是说，如果材料是电绝缘体，那么这些带电费米子就不能自由移动。然而，理论上，不带正电或负电的中性粒子有可能存在于绝缘体中并能自由移动。
“我们的实验结果与所有基于带电费米子的理论冲突。”论文的共同第一作者，博士后研究助理王鹏杰（Pengjie Wang）说。“但如果存在中性费米子，就可以解释得通。”
普林斯顿的团队计划进一步研究二碲化钨的量子特性。他们非常想知道自己的假设是否成立，即能否真的验证新型量子粒子的存在。
“这只是一个起点。”吴三丰说。“如果我们没有出错的话，那么未来的研究者也会从其他绝缘体中发现这种惊人的量子特性。”
尽管对这项新研究的结果只有初步的解释，吴三丰已经在思考这种现象该如何投入实际应用中。
“未来中性费米子可能会用在量子计算中，用于编码信息。”他说。“但与此同时，我们对这种量子现象的理解还处于非常早期的阶段，所以还有很多基础性质有待发现。”
原文链接：https://phys.org/news/2021-01-discovery-quantum-behavior-insulators-particle.html
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