物理學家首次觀測到新的量子態

2025年7月，在美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室，一塊不起眼的材料被緩緩推進超高強度的磁場設備中。

實驗室的操控臺上，一組組儀器正在記錄變化。研究人員逐步將磁場強度調高，10特斯拉、20、40……直到逼近70特斯拉，那是人類目前能穩定實現的極限之一。

比起我們日常生活中能接觸到的任何磁場，它強得幾乎難以想象。

而就在接近頂點的一瞬間，他們等了很久的那個信號出現了：材料的電導率，突然劇烈下降。

但這并不是系統崩潰的跡象。相反，對這些研究者而言，它像是一道量子世界的低語，終于回應了幾十年來的猜想和期盼。那一刻，他們意識到，自己可能捕捉到了某種全新的物態。

來自加州大學歐文分校的研究團隊后來確認，他們確實首次在實驗中觀測到了一種被理論物理學家們設想已久的狀態。這種狀態中，電子會和它們的“反身影”——空穴，自發地結合成一對對“激子”。

所謂空穴，并不是一種真實存在的粒子，而是電子缺失之后留下的那種能量空位，它表現得像是電子的反粒子。

激子是一種特殊的量子對，它本身不帶電荷，但具有豐富的內部結構。而這次所觀測到的激子，更為特殊：電子和空穴的自旋方向一致，形成了所謂“自旋三重態”的凝聚體系。這種狀態此前從未在實驗證據中出現過。

如果要用更形象的方式描述，可以想象電子和空穴像是兩個在混亂中找到了節奏的舞者，它們自發地纏繞在一起，在極端的磁場中形成一種新的秩序。

材料的表現也隨之發生了劇烈轉變，它幾乎停止傳導電流，但并不沉寂，而是在內部展開了一種前所未有的量子協同。

研究的核心材料是一種叫做碲化五鉿的窄帶隙半導體，由研究團隊成員劉金鈺博士在實驗室里合成。這種材料本身的結構非常微妙，具備形成強烈電子-空穴相互作用的條件。

但即使如此，若沒有極端強磁場的介入，也無法進入那個特殊的量子區域。

也正因此，他們選擇了在洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行實驗，借助那里的磁場設施，才得以真正把這塊材料推入到“超量子極限”之中。

當材料進入那種狀態后，它不再依賴電荷來傳遞信號，而是依靠自旋。

這種機制本質上不同于當今絕大多數電子器件的工作原理。換句話說，如果未來人們能穩定地操控這種物態，甚至在常溫條件下復現它，那我們對于信息處理、能源效率、器件設計的理解，可能都要被改寫。

這不僅意味著一種更低能耗的計算方式，也許還預示著一種全新的器件架構——不再以電流為核心，而是以量子狀態為基本邏輯單元。

更現實的一點是，這種量子態極其穩定，幾乎不受宇宙輻射干擾。

普通電子設備在太空中往往極其脆弱，因為高能粒子隨時可能打亂電路。而這種狀態下的材料，反而能夠在那種高能環境中保持安定。

這也解釋了為什么研究者會提到它在航天技術中的潛力。

設想一下，在未來人類真正進行深空探測或長期太空任務時，我們或許不再需要為電子元件頻繁失效而擔憂，而是可以依靠這種不懼輻射、幾乎零耗能的材料構建新的信息系統。

這項研究背后，是一個跨學科協作的團隊。

從材料合成到器件制備，再到理論建模和高磁場實驗，每一步都耗費了大量時間和精力。其中既有資深科學家的判斷，也有年輕研究者的堅持和細致操作。

劉金鈺博士帶領的團隊在實驗室中一遍遍測試晶體的生長條件，而在理論端，來自洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家們則用模型反復推演激子態可能形成的機制和表現。在極端條件下驗證一種理論，既需要技術能力，也需要耐心和一點點冒險精神。

物理世界的本質，從來不只藏在宏觀尺度的機器與構造中，很多時候，它潛伏在那些我們無法直觀想象的微觀空間里。這次的發現雖然離工程應用還很遠，但卻為人類打開了一條極其深遠的新路徑。

我們也許無法預測它最終會通向哪里，但它已經提供了一個可能性：或許我們未來使用的計算設備，并不需要電子在電路中奔跑，它們可以更安靜地協作，只靠自旋傳遞信息，幾乎不發熱，不耗電，也不怕宇宙射線。

當然，這些場景距離現實還有很多步驟。但在物理學里，很多改變世界的工具，都曾是從一項沒人聽懂的小實驗開始的。從一塊在70特斯拉下失去電導率的晶體，到可能重塑計算方式的基礎材料，中間的距離并不一定有那么遙遠。

有時候，重要的不是它能做什么，而是它提醒了我們：世界比我們習慣的那一套物理邏輯更大。它還可以是別的樣子。

（參考：DOI ：10.1103/bj2n-4k2w）