绝缘体发生量子振荡现象,科学家:可能出现一种全新量子粒子

有一个全新的量子世界,就隐藏在绝缘体中。最近科学家意外在绝缘体内发现了量子振荡,这原本是属于金属的独有现象,可能暗指其中有新的量子粒子存在。

金属与绝缘体的差异相当明显,基本来讲,金属导电,绝缘体则不导电,从分子角度来看,这取决于电子在材料中的自由移动方式:由于金属原子容易失去外层电子,因此晶体外面有一层电子云,这也是金属作为电与热良导体的原因;绝缘体则是种能阻碍电荷流动的材料,玻璃、纸、聚四氟乙烯等材料都是非常好的电绝缘体。

长期以来,科学家都认为量子振荡是点出金属与绝缘体之间差异的指标。在金属中,电子具高度移动性,电阻率(抗导电性)很弱,而约一个世纪前,研究人员观察到当处于磁场与极低温环境下,电子会从“经典”态转变为量子状态,从而引起金属量子振荡(quantum oscillation);相比之下,在绝缘体中电子无法移动,加上材料电阻率非常高,因此无论施加多少磁场强度,都不会发生量子振荡。

然而当美国普林斯顿大学团队在研究二碲化钨(ungsten ditelluride,缩写WTe2)这种材料时,意外发生了。

研究人员将二碲化钨逐渐刮至单原子薄层,发现厚的二碲化钨材料行为类似金属,但当转为单层时却会变成超坚固绝缘体;接着研究人员着手测量单层二碲化钨在磁场下的电阻率,发现绝缘体的电阻率虽然还是很大,但随着磁场增加开始出现振荡,表现出金属最显著的量子特性,也就是转变为量子态。

这项发现让人太过惊讶,因为目前没有理论可解释该现象。普林斯顿大学物理系助理教授Sanfeng Wu对此提出一个大胆假设:也许有一种新的量子物质从中诞生,且最后不是电子在振荡,而是称为“中性费米子”的新型粒子借相互作用非常强的电子产生,并带来相当出色的量子效应。

在量子材料中,带电的费米子可以是带负电的电子或带正电的电洞,负责导电,换句话说如果该材料是电绝缘体,则这些带电的费米子无法自由移动。但是从理论上讲,不带负电荷也不带正电荷的中性粒子可以在绝缘体中存在并移动。实验结果与所有带电荷费米子的理论都相抵触,唯有中性费米子能解释。

如果这项实验数据没有失误,则未来可能发现更多同样具有量子特性的绝缘体,一个隐藏在绝缘体中的全新量子世界。团队表示还需要更多实验来验证是否真的存在中性费米子,或寻找其他也能解释的现有理论。

新论文发布在《自然》(Nature)期刊。

(首图来源:普林斯顿大学)

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