一種全新的量子態(tài)：無(wú)需外磁場(chǎng)即可觀測(cè)到反常霍爾效應(yīng)

在接近絕對(duì)零度的極低溫環(huán)境中，電子行為突破既有物理法則，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種全新的量子態(tài)——無(wú)需外磁場(chǎng)即可觀測(cè)到反常霍爾效應(yīng)。這一顛覆性的物質(zhì)狀態(tài)，突破了學(xué)界數(shù)十年對(duì)電子行為的認(rèn)知框架，為量子計(jì)算、傳感技術(shù)和先進(jìn)材料開(kāi)辟了全新路徑。

奧地利維也納工業(yè)大學(xué)的研究人員與德州萊斯大學(xué)的理論物理學(xué)家合作完成這項(xiàng)突破。研究顯示：即使在電子不再表現(xiàn)為具有明確速度與能量的可識(shí)別粒子時(shí)，拓?fù)鋺B(tài)依然能夠形成——這與長(zhǎng)期以來(lái)的科學(xué)認(rèn)知截然相反。

拓?fù)涓拍钤从跀?shù)學(xué)，用于描述物體在形變中保持不變的特性。在物理學(xué)中，拓?fù)洳牧弦蚱洚惓７€(wěn)定的電子行為備受重視，這種特性使其在低功耗電子器件與量子技術(shù)領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。學(xué)界長(zhǎng)期認(rèn)為，這類(lèi)狀態(tài)的形成必須以電子表現(xiàn)為可識(shí)別粒子為前提，但最新實(shí)驗(yàn)證據(jù)推翻了這一觀點(diǎn)。

突破電子行為規(guī)則

研究團(tuán)隊(duì)選用由鈰、釕、錫組成的化合物（CeRu?Sn?），在比絕對(duì)零度高不足1度（0K/-273.15℃）的極低溫環(huán)境中觀測(cè)其特性。維也納工業(yè)大學(xué)研究員、論文第一作者戴安娜·基希鮑姆指出，材料在接近絕對(duì)零度時(shí)表現(xiàn)出特定類(lèi)型的量子臨界行為：“材料在兩種狀態(tài)間不斷漲落，仿佛無(wú)法決定采取何種形態(tài)。在這種漲落狀態(tài)下，準(zhǔn)粒子圖像被認(rèn)為失去了意義。”

研究團(tuán)隊(duì)在極低溫下檢測(cè)到以自發(fā)（反常）霍爾效應(yīng)形式呈現(xiàn)的顯著拓?fù)湫盘?hào)。通常情況下，霍爾效應(yīng)需要磁場(chǎng)使載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但本次實(shí)驗(yàn)中偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象在沒(méi)有外磁場(chǎng)的情況下出現(xiàn)，這成為拓?fù)湫袨榈拿鞔_標(biāo)志。盡管傳統(tǒng)粒子模型在此材料中不再適用，載流子仍表現(xiàn)出類(lèi)似粒子的行為。

令人驚訝的是，該效應(yīng)在量子漲落最劇烈處表現(xiàn)最強(qiáng)。“當(dāng)漲落被壓力或磁場(chǎng)抑制時(shí)，拓?fù)涮匦跃蜁?huì)消失。”基希鮑姆補(bǔ)充道。

新型量子態(tài)誕生

維也納工業(yè)大學(xué)物理學(xué)教授、博士西爾克·比勒-帕申表示，這一結(jié)果令人震驚，它表明拓?fù)鋺B(tài)需要更廣義的定義。“實(shí)際上，產(chǎn)生拓?fù)涮匦圆⒉恍枰Ｗ訄D像，”她在聲明中指出，“這個(gè)概念確實(shí)可以被推廣——拓?fù)洳町悤?huì)以更抽象的數(shù)學(xué)形式顯現(xiàn)。”

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，拓?fù)涮匦陨踔量梢栽谌狈︻?lèi)粒子狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)。這種被研究團(tuán)隊(duì)命名為“涌現(xiàn)拓?fù)浒虢饘佟钡男聽(tīng)顟B(tài)，也獲得了與德州萊斯大學(xué)合作理論研究的支持。萊斯大學(xué)物理學(xué)與天文學(xué)教授齊苗思博士研究組成員、論文共同第一作者陳磊（音）建立了連接量子臨界性與拓?fù)涮匦缘男履Ｐ汀?/p>

“通過(guò)融合這兩個(gè)領(lǐng)域，我們踏入了未知疆域，”陳磊在新聞稿中表示，“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)量子臨界性本身就能產(chǎn)生拓?fù)湫袨椋绕湓趶?qiáng)相互作用環(huán)境中。”

科學(xué)家指出，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為尋找新型拓?fù)洳牧咸峁┝藢?shí)用路線(xiàn)圖。量子臨界行為已在多類(lèi)化合物中被發(fā)現(xiàn)，且相對(duì)容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)識(shí)別。“明確搜索目標(biāo)后，我們能更系統(tǒng)地探索這一現(xiàn)象，”齊苗思總結(jié)道，“這不僅是理論洞見(jiàn)，更是朝著開(kāi)發(fā)運(yùn)用量子物理最深層原理的實(shí)用技術(shù)邁出的關(guān)鍵一步。”

該研究成果已發(fā)表于《自然·物理學(xué)》期刊。

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