罗格斯大学物理学家刚刚发现一种奇异的新物质状态

科学家表示，这种被称为量子液晶的新量子态似乎遵循其独特规律，其特性可能为先进技术应用铺平道路。

罗格斯大学领衔的研究团队在《科学进展》期刊发表论文，描述了一项聚焦外尔半金属（导电材料）与自旋冰（绝缘磁性材料）在超强磁场中相互作用的实验。这两种材料各自以独特复杂的性质著称。

"尽管每种材料都已被深入研究，但它们在界面处的相互作用此前完全未被探索，"今年六月刚获得罗格斯大学物理与天文学博士学位的吴宗吉表示，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，这在高磁场下形成了前所未有的量子拓扑物态。"

团队发现，在两种材料的界面处，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名为"电子各向异性"的罕见现象——材料在不同方向的导电性存在差异。研究人员发现，在360度圆周范围内，有六个特定方向的导电性最低。令人惊讶的是，当磁场增强时，电子会突然开始朝两个相反方向流动。

该发现与旋转对称性破缺量子现象的特征相符，表明在高磁场下出现了新的量子相。

吴宗吉指出，这项发现的重要意义在于揭示了操控材料特性的新方法。通过理解电子在这些特殊材料中的运动方式，科学家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。

外尔半金属因含有被称为外尔费米子的特殊相对论准粒子，能以极高速度、零能量损耗实现非常规导电。而自旋冰的磁矩（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，会形成由不同材料原子层构成的异质结构。

科学家发现，物质在极低温、高压或强磁场等极端条件下会出现新物态，并表现出奇特性质。吴宗吉认为，此类实验可能带来超越自然存在四种物态的基础认知突破。

"这只是个开端，"吴宗吉说，"将新型量子材料组合成异质结构后，探索其相互作用存在无数可能。我们希望这项工作能激励物理学界共同探索这些激动人心的新领域。"

该研究由项目负责人、实验物理学克劳德·洛夫莱斯讲席教授雅克·查卡里安主导，结合多种实验技术完成。理论支持来自物理与天文学系副教授杰迪代亚·皮克斯利，他们均为论文合著者。

"实验与理论的协作才是研究成功的关键，"吴宗吉说，"我们耗时两年多才理解实验结果，这要归功于皮克斯利课题组的前沿理论建模与计算，特别是杰德·皮克斯利和博士后研究员常月清。我们正继续以罗格斯团队的形式推动该领域边界。"

大部分实验在佛罗里达州塔拉哈西国家强磁场实验室完成，该实验室提供了研究材料在超低温强磁场中特性的独特条件。

"我们多次前往强磁场实验室开展合作实验，不断优化方案，"吴宗吉说，"超低温和强磁场是观测这些新现象的关键条件。"

本研究基于查卡里安、米哈伊尔·卡列耶夫、吴宗吉等物理学家今年早些时候发表的成果。前序研究耗时四年，开发出制备外尔半金属与自旋冰超薄异质结构的新方法。由于该量子异质结构制备难度极高，团队专门研制了量子现象发现平台Q-DiP设备。

"前篇论文阐述了异质结构的制备方法，"查卡里安说，"而这篇《科学进展》论文则揭示了它的功能。"

除查卡里安、吴宗吉、常月清和皮克斯利外，参与研究的罗格斯大学学者还包括吴安坤、迈克尔·泰里利、温方迪和米哈伊尔·卡列耶夫。