一项“非常奇特”的量子发现打破了物理定律

密歇根大学物理学教授李教授与国际科学家团队的一项发现近期发表于《物理评论快报》。李教授表示：“我很想宣称这有重大应用，但研究反而让这个梦想更远了，不过我们的发现确实既奇特又令人兴奋。”

量子振荡：电子像弹簧一样运动。该研究获美国国家科学基金会和能源部支持，聚焦一种名为量子振荡的奇特效应。在金属中，当电子像小弹簧一样在磁场中振动时会发生这种振荡。科学家通过改变磁场强度，可以改变这些“电子弹簧”的运动速度。

然而近年来，研究人员在绝缘体（本不应导电导热的材料）中也发现了同样的量子振荡。这一发现让科学家们争论：这种效应是源于材料表面，还是内部（即体相）。

探寻材料内部答案。如果振荡源于表面，对潜在技术而言尤其令人兴奋。拓扑绝缘体（表面导电而内部绝缘）已被研究用于新型电子、光学和量子器件。

为解开谜团，李教授团队前往拥有世界最强磁铁的国家磁场实验室。实验表明，振荡并非仅为表面效应，而是源于材料本身的体相。

李教授坦言：“我希望知道如何利用这一点，但目前毫无头绪。我们现在拥有的是这一非凡现象的实验证据，已记录下来，希望未来能明白如何应用。”

全球合作与明确结果。该研究涉及美国和日本6个机构的十多位科学家，包括密歇根大学的研究员陈冠文、研究生朱元、郑国鑫、张德胜、Aaron Chan和Kaila Jenkins等。

陈冠文表示：“多年来，科学家一直在追寻这个奇特绝缘体中载流子起源的基本问题：是来自体相还是表面，内在还是外在？我们很高兴能提供明确证据，证明它是体相且内在的。”

物理学中的“新二元性”。李教授将这一发现描述为他所谓“新二元性”的一部分。物理学中最初的“旧二元性”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。

李教授称，新二元性涉及既能充当导体又能充当绝缘体的材料。他的团队利用一种名为硼化镱（YbB12）的化合物来探索这一想法，实验时施加的磁场强度高达35特斯拉——约为医院核磁共振仪内部磁场强度的35倍。

李教授解释道：“实际上，我们的研究表明，那种认为表面具有良好导电性且可用于电子设备的天真想法完全错误。整个化合物虽然是绝缘体，却表现得像金属。”

解开“疯狂金属”之谜。尽管这种“类金属”行为仅在极端磁场条件下出现，但这一发现引发了关于材料在量子层面行为的新问题。

朱元表示：“证实振荡是体相且内在的这一结果令人兴奋。我们尚不清楚是哪种中性粒子导致了这一观测结果。希望我们的发现能推动进一步的实验和理论研究。”

该项目还得到了复杂适应物质研究所、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。