罗格斯大学的物理学家们刚刚发现了一种奇特的新物质状态状态

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律，并展现出可能为先进技术应用铺平道路的特性。

由罗格斯大学主导的研究团队在《科学进展》期刊发表报告，描述了一项聚焦外尔半金属（一种导电材料）与自旋冰（绝缘磁性材料）在超强磁场作用下相互作用的实验。这两种材料各自都以独特而复杂的性质著称。

"尽管每种材料都已被广泛研究，但它们在界面处的相互作用此前完全未被探索，"今年六月刚从罗格斯大学物理与天文博士项目毕业的吴宗吉表示，他是该研究的第一作者。"我们观察到仅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前所未有的新型量子拓扑物态。"

研究团队发现，在这两种材料的界面处，外尔半金属的电子特性会受到自旋冰磁性的影响。这种相互作用导致了一种非常罕见的现象——"电子各向异性"，即材料在不同方向上呈现差异化的导电特性。他们发现，在360度圆周范围内，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，电子突然开始朝两个相反方向流动。

这一发现与被称为旋转对称性破缺的量子现象特征相符，表明在高磁场下出现了新的量子相。

吴宗吉指出，该发现的重要意义在于揭示了控制和调控材料特性的新途径。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新一代超灵敏量子磁场传感器，这些传感器在太空或强磁场设备等极端环境下能发挥最佳性能。

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。而自旋冰则是磁性材料，其磁矩（材料内部的微小磁场）排列方式类似冰中氢原子的分布。当这两种材料结合时，它们会形成由不同材料原子层组成的异质结构。

吴宗吉表示，科学家已发现物质在极低温、高压或强磁场等极端条件下会出现新物态，并表现出奇特而迷人的行为。罗格斯大学主导的这类实验，可能带来超越自然存在的四种物态（固态、液态、气态、等离子态）的基础性新认知。

"这只是个开始，"吴宗吉说，"在将新型量子材料组合成异质结构时，探索其相互作用存在多种可能性。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前沿。"

该研究采用多种实验技术相结合的方法，由项目首席研究员、物理与天文系实验物理学克劳德·洛夫莱斯讲席教授Jak Chakhalian领导，他也是论文合著者。理论研究支持来自物理与天文系副教授Jedediah Pixley，同为论文合著者。

"实验与理论的协作才是这项工作的真正基石，"吴宗吉说，"我们花了两年多时间理解实验结果。这要归功于Pixley课题组——特别是Jed Pixley和博士后研究员常月清——采用的最先进理论建模与计算方法。作为罗格斯大学团队，我们正持续推进该领域前沿研究。"

大部分实验在佛罗里达州塔拉哈西国家强磁场实验室（MagLab）完成，该实验室为在超低温和强磁场条件下研究这些材料提供了独特环境。

"我们多次前往MagLab开展合作实验，每次都在完善思路和方法，"吴宗吉说，"超低温和强磁场对于观测这些新现象至关重要。"

本研究建立在今年早些时候由Chakhalian、Mikhail Kareev、吴宗吉等物理学家发表的罗格斯大学前期研究基础上。前序报告描述了四年连续实验如何催生一种新方法，用以设计和构建由外尔半金属与自旋冰组成的原子级薄层独特结构。由于这种量子异质结构制备极其困难，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备方法，"Chakhalian说，"而这篇《科学进展》新论文讲的是它的应用潜力。"

除Chakhalian、吴宗吉、常月清和Pixley外，参与该研究的罗格斯大学研究人员还包括吴安坤、Michael Terilli、温方迪和Mikhail Kareev。