研究人员在一种绝缘材料内部发现了量子振荡，颠覆了长期以来的假设。他们在国家强磁场实验室的研究表明，该效应源于材料的体相而非表面。这一发现揭示了材料科学中的一种“新二象性”——即化合物可能同时表现出金属和绝缘体的性质——为未来的研究提供了一个引人入胜的谜题。
李与国际科学家团队合作取得了其中一项发现，该发现近期发表在《物理评论快报》上。
“我很想声称这有巨大的应用前景，但我的工作却让那个梦想越来越远，”密歇根大学物理学教授李说道。“但我们的发现仍然非常奇异且令人兴奋。”
量子振荡：当电子像弹簧一样运动时
该研究得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持，重点研究一种被称为量子振荡的令人费解的效应。在金属中，当电子表现得像微小的弹簧一样，在磁场的响应下振动时，就会发生这种振荡。通过改变磁场强度，科学家可以改变这些“电子弹簧”运动的快慢。
然而，近年来，研究人员在绝缘体——即不应导电或导热的材料——中发现了同样的量子振荡。这一发现引发了科学家的争论：该效应是仅源于这些材料的表面，还是源于其内部深处（即体相）。
在材料内部寻找答案
如果振荡来自表面，那对于潜在的技术应用来说将特别令人兴奋。一种被称为拓扑绝缘体的材料，其表面导电而内部绝缘，目前正被用于研究新型电子、光学和量子器件。
为了探索这一谜团，李和他的合作者求助于国家强磁场实验室，那里拥有世界上最强大的磁体。他们的实验表明，这些振荡不仅仅是表面效应。相反，它们来自材料本身的体相。
“我希望我知道该怎么利用它，但在现阶段我们毫无头绪，”李承认道。“我们目前拥有的是一个非凡现象的实验证据，我们已经记录了下来，并希望在未来某个时刻能意识到如何利用它。”
全球合作与明确结果
该研究涉及来自美国和日本六所机构的十几位科学家，包括密歇根大学的研究员陈冠文以及研究生朱远、郑国新、张德臣、艾伦·陈和凯拉·詹金斯。
“多年来，科学家们一直在探究关于这种奇异绝缘体中载流子来源的一个基本问题：它是来自体相还是表面，是内禀的还是外禀的？”陈说道，“我们很高兴能提供明确的证据，证明它是体相且内禀的。”
物理学中的“新二象性”
李将这一发现描述为他所称的“新二象性”的一部分。物理学中最初的或者说“旧”的二象性出现于一个多世纪前，当时科学家意识到光和物质既可以表现为波，也可以表现为粒子。这一发现改变了物理学，并催生了太阳能电池和电子显微镜等技术。
李表示，新的二象性涉及那些既可表现为导体又可表现为绝缘体的材料。他的团队利用一种称为硼化镱（YbB12）的化合物探索了这一想法，实验环境中的磁场强度高达35特斯拉——约为医院MRI机器内部磁场强度的35倍。
“实际上，我们展示的是，那种设想存在一个导电性良好且可用于电子器件的表面的简单图景是完全错误的，”李解释道。“是整个化合物表现得像金属，尽管它是一个绝缘体。”
解开“疯狂金属”之谜
尽管这种“类金属”行为仅出现在极端磁场条件下，但该发现提出了关于材料在量子层面上行为表现的新问题。
“证实振荡是体相且内禀的令人兴奋，”朱说道。“我们还不知道是哪种中性粒子导致了这一观测结果。我们希望我们的发现能激发进一步的实验和理论研究。”
该项目还得到了复杂自适应物质研究所、戈登与贝蒂·摩尔基金会、日本学术振兴会以及日本科学技术振兴机构的额外支持。