罗格斯大学的物理学家们刚刚发现了一种奇异的新物态

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律，并提供了可能为先进技术应用铺平道路的特性。

罗格斯大学主导的研究团队在《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超高磁场下的相互作用。这两种材料各自以其独特而复杂的特性闻名。

"尽管每种材料都已被广泛研究，但它们在这种边界上的相互作用此前完全未被探索，" 六月刚从罗格斯大学物理与天文研究生项目获得博士学位的吴宗吉（音译）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。"

团队发现，在这两种材料的界面处，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，即材料在不同方向上的导电性存在差异。他们发现，在360度圆环中，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，电子突然开始沿两个相反方向流动。

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，这些发现具有重要意义，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新一代超高灵敏度的量子磁场传感器，这些传感器在极端条件下（如太空或强功率机器内部）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。而自旋冰是一种磁性材料，其磁矩（材料内部的微小磁场）排列方式类似于冰中氢原子的位置。当这两种材料结合时，它们形成了由不同材料的原子层组成的异质结构。

科学家们发现，新物态会在极端条件（包括极低温、高压或强磁场）下出现，并表现出奇特而迷人的行为。吴宗吉认为，诸如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（固液气等离子体）的、全新的基础性物质认知。

"这仅仅是个开端，" 吴宗吉说。"将新型量子材料组合成异质结构时，探索其新特性和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。"

该研究采用了多种实验技术组合，由项目首席研究员贾克·查卡利安领导。查卡利安是物理与天文系克劳德·洛夫莱斯讲席实验物理学教授，也是该研究的共同作者。理论工作由物理与天文系副教授杰迪代亚·皮克斯利（同为研究共同作者）提供支持。

"实验与理论的合作才使这项工作真正成为可能，" 吴宗吉表示。"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悦卿）进行的尖端理论建模与计算。作为罗格斯团队，我们正持续推进合作以开拓该领域的前沿。"

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，该实验室提供了在超低温和强磁场下研究这些材料的独特条件。

"我们不得不启动合作并多次前往MagLab进行实验，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。"

该研究基于查卡利安、米哈伊尔·卡列耶夫、吴宗吉及其他物理学家今年早些时候发表的罗格斯大学主导的前期研究。该报告描述了四年连续实验如何催生一种新颖方法，用以设计和构建由外尔半金属与自旋冰组成的独特、微型、原子级厚度的结构。由于这种量子异质结构制备极其困难，科学家们专门研发了制造设备：Q-DiP（量子现象发现平台的简称）。

"在那篇论文中，我们描述了异质结构的制备方法，" 查卡利安说。"而这篇新的《科学进展》论文则阐述了它的功能。"

除查卡利安、吴宗吉、常悦卿和皮克斯利外，参与该研究的罗格斯大学研究人员还包括吴安坤（音译）、迈克尔·泰里利、温方迪（音译）和米哈伊尔·卡列耶夫。