罗格斯大学物理学家刚刚发现一种奇特的新物态

科学家们表示，这种被称为量子液晶的新量子态似乎遵循其自身规则，并提供了可能为先进技术应用铺平道路的特性。

罗格斯大学领导的研究团队在《科学进展》期刊上报告了一项实验，该实验聚焦于一种名为外尔半金属的导电材料与被称为自旋冰的绝缘磁性材料在极强磁场下的相互作用。这两种材料各自以其独特而复杂的特性著称。

"尽管每种材料都已被广泛研究，但它们在边界处的相互作用此前完全未被探索，"吴宗炽（Tsung-Chi Wu）表示。他于今年6月获得罗格斯大学物理与天文学博士学位，是该研究的第一作者。"我们观察到只有当这两种材料相互作用时才会出现的新量子相。这在高磁场下创造了一种先前未知的新型量子拓扑物态。"

团队发现，在这两种材料的界面上，外尔半金属的电子特性受到自旋冰磁性的影响。这种相互作用导致了一种极为罕见的"电子各向异性"现象——材料在不同方向上的导电性存在差异。他们发现在360度圆周内，导电性在六个特定方向上最低。令人惊讶的是，当磁场增强时，电子会突然开始沿两个相反方向流动。

该发现与被称为"旋转对称性破缺"的量子现象特征一致，表明在高磁场下出现了一种新的量子相。

吴宗炽指出，这些发现意义重大，因为它们揭示了控制和操纵材料特性的新途径。通过理解电子在这些特殊材料中的运动方式，科学家们有望设计出能在极端环境（如太空或强磁场设备内部）高效工作的新一代超灵敏量子磁传感器。

外尔半金属因其特殊的相对论性准粒子——外尔费米子，能以极高速度、零能量损耗实现非常规导电。而自旋冰是一种磁性材料，其磁矩（材料内部的微小磁场）的排列方式类似于冰中氢原子的排布。当这两种材料结合时，它们形成了由原子级异质层构成的异质结构。

科学家发现，新物态常在极端条件下（包括极低温、高压或强磁场）显现，并表现出奇特而迷人的行为。根据吴宗炽的观点，此类由罗格斯大学主导的实验可能带来超越天然存在的四种物态（固/液/气/等离子体）的基础性新认知。

"这仅仅是个开端，"吴宗炽表示。"将新量子材料组合成异质结构后，探索其相互作用存在多重可能性。我们希望这项工作也能激励物理学界探索这些激动人心的新领域。"

该研究结合了多种实验技术，由项目首席研究员、克劳德·洛夫莱斯实验物理学讲席教授雅克·查卡里安（Jak Chakhalian）领导，他也是研究的共同作者。理论工作由物理与天文学系副教授杰迪代亚·皮克斯利（Jedediah Pixley）支持，他同样是共同作者。

"实验与理论的协作才是这项工作的真正基石，"吴宗炽强调。"我们花费了两年多时间才理解实验结果。这要归功于皮克斯利课题组（特别是杰德·皮克斯利和博士后研究员常岳青）的最先进理论建模与计算。我们正以罗格斯团队的身份继续合作，共同推动该领域的前沿探索。"

大部分实验在佛罗里达州塔拉哈西的国家强磁场实验室（MagLab）进行，该实验室提供了研究超低温和强磁场下材料的独特条件。

"我们多次发起合作并前往MagLab进行实验，每次都在完善思路与方法，"吴宗炽解释道。"超低温和强磁场对于观测这些新现象至关重要。"

该研究建立在今年早些时候由查卡里安、米哈伊尔·卡列耶夫（Mikhail Kareev）、吴宗炽等物理学家发表的罗格斯主导研究基础上。该报告描述了四年持续实验如何催生一种新颖方法——用于设计和构建由外尔半金属与自旋冰组成的原子级厚度独特微结构。由于这种量子异质结构制造难度极高，科学家们专门开发了名为Q-DiP（量子现象发现平台）的制造设备。

"在那篇论文中，我们阐述了异质结构的制造方法，"查卡里安表示。"而这篇新的《科学进展》论文则聚焦于它的功能。"

除查卡里安、吴宗炽、常岳青和皮克斯利外，参与研究的罗格斯研究人员还包括吴安坤（Ang-Kun Wu）、迈克尔·泰里利（Michael Terilli）、温方迪（Fangdi Wen）和米哈伊尔·卡列耶夫（Mikhail Kareev）。