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新量子材料，擁有令人驚嘆的特性

文章來源： OFweek新材料網(wǎng) 更新時間：2021-05-26 16:48:20

文／陳根

在日常生活中，相變通常與溫度有關(guān)，例如冰塊遇暖融化。但是，取決于其他參數(shù)的改變，例如磁場，存在著不同類型的相變。為了理解材料的量子特性，當(dāng)相變直接發(fā)生在溫度的絕對零點(diǎn)時，它們會產(chǎn)生十分有趣的轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變稱為“量子相變”或“量子臨界點(diǎn)”。

通常情況下，量子臨界行為發(fā)生在金屬或絕緣體中。但近日，研究人員在一種半金屬中發(fā)現(xiàn)了這一行為。該材料是一種鈰、釕和錫的化合物，其特性介于金屬和半導(dǎo)體之間。另外，量子臨界只能在非常特殊的環(huán)境條件下產(chǎn)生，需要一定的壓力或電磁場。然而，令人驚訝的是，這種半金屬在沒有受到外部影響的情況下也能產(chǎn)生量子臨界。

這一結(jié)果可能與材料中電子的特殊行為有關(guān)。該材料擁有一個高度相關(guān)的電子系統(tǒng)，這意味著電子之間有會產(chǎn)生很強(qiáng)的相互作用，即所謂的近藤效應(yīng)。此外，在這里，材料中的一個量子自旋會被它周圍的電子所屏蔽，致使該自旋不再對材料的其他部分有任何影響。

如果只有相對較少的自由電子，如半金屬中的情況，那么近藤效應(yīng)是不穩(wěn)定的。這可能是該材料量子臨界行為的原因所在，即系統(tǒng)在有近藤效應(yīng)的狀態(tài)和無近藤效應(yīng)的狀態(tài)之間波動。

這一結(jié)果之所以如此重要，主要是因?yàn)樗徊聹y與“Weyl費(fèi)米子”現(xiàn)象相關(guān)。在固體中，Weyl費(fèi)米子可以以準(zhǔn)粒子的形式出現(xiàn)，即作為集體激發(fā)，如池塘中的波浪。

陳根：新量子材料，特性令人驚訝

根據(jù)理論預(yù)測，這種Weyl費(fèi)米子應(yīng)該存在于這種材料中。然而，實(shí)驗(yàn)還沒有找到，但科學(xué)家們懷疑他們觀察到的量子臨界性有利于Weyl費(fèi)米子的出現(xiàn)。量子臨界波動可能對Weyl費(fèi)米子有穩(wěn)定作用，其方式類似于高溫超導(dǎo)體中的量子臨界波動將超導(dǎo)庫珀對固定在一起。

一般來說，某些量子效應(yīng)，即量子臨界漲落、近藤效應(yīng)和Weyl粒子與新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)緊密纏結(jié)在一起，它們共同產(chǎn)生了奇特的魏爾·康多狀態(tài)。這些是具有高度穩(wěn)定性的“拓?fù)?rdquo;狀態(tài)，與其他量子狀態(tài)不同，這些狀態(tài)不能輕易地被外部干擾破壞，因此對于量子計算的制造具有重要意義。

為了驗(yàn)證這一切，科學(xué)家們將在不同的外部條件下進(jìn)行進(jìn)一步的測量，他們預(yù)測在其他材料中也可以發(fā)現(xiàn)量子效應(yīng)的相似相互作用。未來，這可能會導(dǎo)致新材料的設(shè)計概念發(fā)生改變。

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