其中一些材料可以成为超导体，允许电流无能量损耗地流动，而另一些则形成电荷序，在这种状态下，电子会排列成有序的图案，而不是自由移动。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员现在在这类材料之一Fe5GeTe2中发现了一种出乎意料的行为。他们发现，它可以进入一种电荷有序态，在这种状态下，大量电子以极其缓慢的速度共同移动，同时仍保持量子相干性。
这些发现发表在《科学进展》（Science Advances）上，来自杨硕龙（Shuolong Yang）助理教授的实验室。这一发现挑战了关于该材料行为的现有观点，也可能为其新的技术应用指明方向。
“这是一项偏离了理论预测的基础性发现，”杨说。“我们现在必须从头开始重新思考这种材料的磁相互作用，但这同时也为利用这种材料制造新型存储器件带来了新的可能性。”
数以百万计的电子共同移动
Fe5GeTe2于七年前被发现，属于范德华磁体家族。由于这些材料可以形成原子级厚度的薄层，研究人员正在探索它们是否能实现不同于传统磁性材料构建的存储技术。
杨及其同事，包括博士后研究员加布里埃尔·贝鲁托（Gabriele Berruto）和高强（Qiang Gao），利用角分辨光电子能谱（ARPES）对Fe5GeTe2进行了检测。该技术将光子照射到材料上并将其表面的电子击出，使研究人员能够绘制其电子结构和磁态图。
研究团队将紫外激光聚焦在一个仅10微米宽的区域上。他们看到的现象出乎意料。该材料显示出平坦的电子能带，这意味着与导电相关的电子能量范围变化极小。
在平坦能带中，电子不会像通常那样快速穿过材料。相反，它们在表现出集体行为的同时，可以变得极其缓慢。
“我们测量的不是单个电子，”杨说。“我们测量的是成千上万甚至数以百万计电子的相互作用，它们都在以相干的方式共同移动。这是一种量子多体现象，这实际上是一件非常奇特的事情。”
量子版的慢动作
杨将这种行为比作流过瀑布的水。陡峭的斜坡使水流湍急，而平缓的斜坡则使水流缓慢。类似地，平坦的电子能带对应着电子移动得慢得多。
这一发现改变了研究人员对Fe5GeTe2的理解，这是一种可以以几种不同原子排列形式存在的材料。
“从科学角度来看，这表明材料内部的磁相互作用与理论预测完全不同，”贝鲁托说。
这种不寻常的行为也可能具有实际意义。由于Fe5GeTe2可以处于不同的磁性状态，这些状态可能被用于表示和存储信息。
杨及其同事目前正在研究紧密聚焦的激光是否能在这种量子多体相和其他相之间切换材料的状态。他们的工作表明这种切换是可能的，从而提高了这种效应最终被整合到存储器件中的可能性。
推动量子行为向室温迈进
许多不寻常的量子效应只能在接近绝对零度的温度下存在。然而，在这种情况下，研究人员发现这种相干行为一直持续到绝对零度以上100度。
这仍然远低于室温，但与类似的量子材料相比已经相对较高，使得该结果对未来应用极具前景。
“如果我们最终想将其用于存储器件，它就需要能在室温下工作，”目前在劳伦斯伯克利国家实验室担任研究科学家的高说。
该团队的下一个目标是确定当Fe5GeTe2被剥离到仅单个原子层厚度时，是否仍保持相同的性质。
纪念物理学家彼得·利特尔伍德
这项研究是涉及彼得·利特尔伍德（Peter Littlewood）的最后几篇研究出版物之一，他是一位杰出的芝加哥大学物理学家，于6月15日逝世。
“他是一位伟大的理论物理学家，也是芝加哥大学量子材料研究的领导者，”杨说。“我们将这篇论文献给他。”
该论文的其他作者包括Khanh Duy Nguyen、Chaowei Hu、Paul Malinowski、Haoran Lin、Beomjoon Goh、Bo Gyu Jang、Xiaodong Xu和Jiun-Haw Chu。
资助信息：芝加哥大学的这项工作由美国能源部资助（资助编号：DE-SC0022960），并部分由戈登与贝蒂·摩尔基金会资助（资助编号：GBMF12763）。