量子材料突破舊理論！無磁場橫向電流出世，物理學(xué)規(guī)則或需重寫！

歐洲科學(xué)家在一種量子材料內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了一種全新的物質(zhì)狀態(tài)，其表現(xiàn)出人意料。即便內(nèi)部電子不再像普通粒子那樣運(yùn)作，電流卻在沒有任何磁場的情況下突然發(fā)生了橫向流動。

在高于絕對零度不到一度的極低溫環(huán)境下，這項新研究在CeRu4Sn6種由鈰、釕和錫組成的晶體，屬于被稱為重費(fèi)米子材料的強(qiáng)相互作用金屬類別——中發(fā)現(xiàn)了橫向電壓。

以此信號為指引，奧地利維也納理工大學(xué)的物理學(xué)家希爾克·比勒-帕申教授將其與一種意想不到的狀態(tài)聯(lián)系了起來。研究團(tuán)隊將這一結(jié)果描述為巨大的驚喜。

這種橫向電壓在電子不再作為整齊的載流子運(yùn)作的區(qū)域達(dá)到了峰值，制造了一種許多物理學(xué)家曾斷言不可能出現(xiàn)的錯配。

一些重費(fèi)米子金屬，即電子表現(xiàn)出異常大質(zhì)量的類別，讓這種整齊的載流子圖像開始崩塌。

強(qiáng)相互作用可以將一個電子的能量分散到許多可能性中，因此單一的速度或路徑不再具有意義。這種圖像通常將混亂的相互作用轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)粒子，即攜帶電荷和動量的類電子包，從而使計算保持可控。

CeRu4Sn6處于一個持續(xù)波動的區(qū)域，這些波動抹去了準(zhǔn)粒子，使物理學(xué)家失去了通常的構(gòu)建模塊。

拓?fù)錉顟B(tài)，即受對稱性和計數(shù)規(guī)則保護(hù)的電子模式，能夠比通常會擾亂電子的缺陷存在得更久。

2016年的諾貝爾物理學(xué)獎強(qiáng)調(diào)了當(dāng)電子以受限方式穿過固體時，這種模式是如何出現(xiàn)的。傳統(tǒng)理論仍然將電子視為具有確定能量的粒子，因此拓?fù)鋵W(xué)一直與清晰的能帶聯(lián)系在一起。

CeRu4Sn6打破了這一預(yù)期，它恰恰在準(zhǔn)粒子消失的地方展示了同樣的受保護(hù)行為。

穿過導(dǎo)體的橫向電壓定義了霍爾效應(yīng)，這是一種移動電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的側(cè)向信號。

通常，磁場會觸發(fā)這種偏轉(zhuǎn)，這使得霍爾效應(yīng)成為測量載流子的標(biāo)準(zhǔn)工具。在某些晶體內(nèi)部，貝里曲率——一種使固體中電子運(yùn)動發(fā)生彎曲的量子特性，完全可以取代磁鐵。

壓力使團(tuán)隊能夠調(diào)低波動，并追蹤橫向霍爾信號是如何上升然后崩潰的。

擠壓CeRu4Sn6減弱了這種效應(yīng)，并將其推向更低的溫度，這與量子波動的減少相吻合。磁場縮小了響應(yīng)出現(xiàn)的區(qū)域，將一種涌現(xiàn)的拓?fù)浒虢饘佟环N具有受保護(hù)交叉點(diǎn)的金屬，描繪成一個穹頂狀。

看到這個穹頂以最不穩(wěn)定的區(qū)域為中心，推翻了波動與拓?fù)浔仨毾嗷ジ偁幍呐f有預(yù)期。

當(dāng)反演對稱性——一種翻轉(zhuǎn)位置看起來仍然相同的晶體屬性，缺失時，即使沒有磁性，橫向運(yùn)動也可能產(chǎn)生。

在CeRu4Sn6中，這種對稱性的缺失意味著即使在零磁場下，作用在電子上的內(nèi)力也不會抵消。物理學(xué)家將這類材料歸類為電子結(jié)構(gòu)中具有受保護(hù)交叉點(diǎn)的特殊金屬，CeRu4Sn6符合這一描述。

那些內(nèi)在的對稱性規(guī)則使得橫向電壓更容易被探測到，因為即使在通常的粒子圖像崩潰時，信號仍然可以存在。

早期的猶豫是有道理的，因為大多數(shù)現(xiàn)有理論假設(shè)電子以簡單、定義明確的方式行為。

團(tuán)隊建立了一個新模型，檢查了材料的內(nèi)部相互作用在極低溫度下如何變化，以及當(dāng)這些相互作用開始瓦解時會發(fā)生什么。該理論不再依賴整齊的類粒子行為，而是尋找即使在最混亂的區(qū)域也能保持穩(wěn)定的更深層模式。

“這是關(guān)鍵的洞見，使我們能夠毫無疑問地證明，主流觀點(diǎn)必須修正，”比勒-帕申說道。

實驗室可以在不知道電子每一個細(xì)節(jié)的情況下，識別出量子臨界性，一個具有持續(xù)波動的低溫閾值。

在這個閾值附近，壓力或磁場的微小變化可以重塑整個材料中的電子運(yùn)動，而不僅僅是局部的。對于CeRu4Sn6，穹頂顯示半金屬恰好在波動最劇烈的區(qū)域周圍形成，而不是在秩序穩(wěn)定之后。

這種聯(lián)系提供了一條發(fā)現(xiàn)候選材料的新途徑，特別是在那些通過溫和調(diào)控就已經(jīng)出現(xiàn)量子臨界性的族群中。

強(qiáng)勁的橫向響應(yīng)不僅僅是一個奇觀，因為它可以在不增加笨重磁鐵的情況下引導(dǎo)電流。

在強(qiáng)相互作用金屬中，電子關(guān)聯(lián)可以放大微妙的量子力，將抽象的能帶特征轉(zhuǎn)化為可測量的電壓。這種控制可以支持敏感傳感器或微小場至關(guān)重要的量子電路，特別是當(dāng)設(shè)計者希望減少磁性部件時。

不過，這種狀態(tài)僅在接近絕對零度時出現(xiàn)，因此實用的硬件將取決于在更溫暖的溫度下找到類似的行為。

單一材料迫使物理學(xué)家將拓?fù)鋵W(xué)與粒子圖像分離，這一改變開啟了更清晰的理論。未來的工作將測試其他量子臨界金屬，并確定壓力、應(yīng)變或化學(xué)成分是否能將同樣的響應(yīng)帶到實用的溫度。

這項研究已發(fā)表在《自然》雜志上。