在两种奇异材料的交界处，科学家发现了一种名为"量子液晶"的新物质状态，其行为模式前所未见。当导电性外尔半金属与磁性自旋冰在强磁场作用下相遇时，会产生奇特而令人振奋的量子现象——电子沿异常方向流动并打破传统对称性。这一发现可能为研制超高灵敏度量子传感器及探索极端环境下的奇异物质态开辟新途径。
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。