令人惊讶地发现绝缘体中意外的量子行为表明存在完全新型粒子的存在

由普林斯顿物理学家领导的团队在由钨Ditellideriders制成的原子薄绝缘体中发现了一个惊人的量子现象。结果表明，先前隐藏在绝缘体中的全新类型的量子阶段的形成。

在一个令人惊讶的发现中，普林斯顿物理学家在由称为钨硫化物的材料制成的绝缘体中观察到意外的量子行为。这种现象称为量子振荡，通常在金属而不是绝缘体中观察到，其发现提供了对我们对量子世界的理解的新见解。结果也暗示了完全新型量子颗粒的存在。

该发现挑战金属和绝缘体之间的长期区别，因为在建立的量子材料理论中，绝缘体并未被认为能够体验量子振荡。

“如果我们的解释是正确的，我们正在看到一系列新的Quantum形式，”普林斯顿大学物理学助理教授和最近的自然界的高级作者详细说明了这一新发现。“我们现在想象一个隐藏在绝缘体中的全新量子世界。我们有可能在过去的几十年中错过了识别它们。“

长量子振荡的观察长期以来一直被认为是金属和绝缘体之间差异的标志。在金属中，电子是高度移动的，电阻率 - 导电抗性 - 弱。近一个世纪前，研究人员观察到，与非常低的温度相结合的磁场会导致电子从“经典”状态转移到量子状态，导致金属电阻率的振荡。在绝缘体中，相比之下，电子不能移动，并且材料具有非常高的电阻率，因此不预料到这种排序的量子振荡是不可能发生的磁场的强度。

当研究人员正在研究一种叫做钨Ditellideride的材料时，发现了这一发现，它们以二维材料制成。它们通过使用标准的透明胶带来制备材料，越来越地剥离，或“刮胡子”，将层数下降到称为单层 - 单个原子薄层。厚钨尿素线表现得像金属一样。但是一旦它转换为单层，它就会成为一个非常强大的绝缘体。

“这种材料具有很多特殊量子特性，”吴说。

然后，研究人员设定了测量磁场下单层钨Ditellideride的电阻率。为了他们的惊喜，尽管存在相当大的，绝缘体的电阻率尽管增加了磁场，但是向磁场增加，表明换档到量子状态。实际上，材料 - 一个非常强的绝缘体 - 表现出金属的最显着的量子特性。

“这是一个完全惊喜，”吴说。“我们问自己，'这里发生了什么？'我们还没有完全理解它。“

吴指出，没有目前的理论来解释这种现象。

尽管如此，吴和他的同事提出了一种挑衅性假设 - 一种中性收费的量子材料形式。“由于相互作用非常强烈，电子正在组织自己以产生这种新的量子物质，”吴说。

吴说，它最终不再是振荡的电子。相反，研究人员认为，它们具有被称为“中性码头”的新颗粒始采出这些强烈的相互作用的电子，并负责产生这种高度显着的量子效应。

费粒是包括电子的量子颗粒类别。在量子材料中，带电的码头可以是带负电的电子或带正电的“孔”负责导电的电气。即，如果材料是电绝缘体，则这些带电的码头不能自由移动。然而，是中性的颗粒 - 即既不是负面的也不是带正电荷的 - 理论上可以在绝缘体中存在和移动。

“我们的实验结果与基于收费的费米子的所有现有理论发生冲突，”彭娇王先生张先生的作者彭娇王说，“但可以在充电中性蜕皮的存在下解释。”

普林斯顿团队计划进一步调查钨Ditelliders的量子特性。他们特别感兴趣地发现他们的假设 - 关于存在新量子粒子的假设 - 是有效的。

“这只是起点，”吴说。“如果我们是正确的，未来的研究人员将发现其他令人惊讶的量子属性的其他绝缘体。”

尽管研究的新性和结果的初步解释，但吴推测了这种现象如何能够实际使用。

“如果将来，可以使用中性的费米子来编码在量子计算中有用的信息，”他说。“与此同时，我们仍然处于理解量子现象的早期阶段，如此，所以必须制造基本发现。”

参考：“绝缘体中的Landau量化和高度移动性污垢”由Pengjie Wang，Guo Yu，Yanyu Jia，Michael Onyszczak，F. Alexandre Cevallos，Shiming Lei，Sebastian Klemenz，Kenji Watanabe，Takashi Taniguchi，Robert J.Chap，Leslie M. Schoop和三丰吴，大自然：
10.1038 / s41586-020-03084-9.

除了吴和王外，该团队还包括电气工程研究生郭宇，以及物理研究生尤义佳。其他主要普林斯顿贡献者是化学助理教授的Leslie Schoop; Robert Cava，Russell Wellman Moore Chemistry教授; Michael Onyszczak，物理研究生;和三位前博士后研究伙伴：Shiming Lei，Sebastian Klemenz和F. Alexandre Cevallos，他也是2018普林斯顿博士学位。校友。肯尼沃坦人和日本国立物质科学研究所的Takashi Taniguchi也有所贡献。

“绝缘体中的Landau量化和高潮徒移，”彭娇王，郭宇，云义佳，迈克尔·诺斯·萨克克，F.亚历山大Cevallos，Shiming Lei，Sebastian Klemenz，Kenji Watanabe，Takashi Taniguchi，Robert J.Chava，Leslie M. Schoop和Sanfeng Wu于1月4日出版了在“自然”期刊上（Doi：10.1038 / s41586-020-03084-9）。

这项工作主要由国家科学基金会（NSF）通过普林斯顿大学材料研究科学和工程中心（DMR-1420541和DMR-2011750）以及职业奖（DMR-1942942）。早期测量是在国家高磁场实验室进行的，该实验室由NSF合作协议（DMR-1644779）和佛罗里达州的国家提供支持。额外的支持来自日本教育，文化，体育，科学技术部（JPMXP0112101001），日本促进科学议员（JP20H00354）和日本科技机构的荣誉计划（JPMXP0112101001）进行了额外的支持（jpmjcr15f3）。进一步的支持来自美国陆军研究办公室多学科大学研究初级研究倡议（W911NF1210461），Arnold和Mabel Beckman基金会通过Beckman Young Sinultigator Grant，以及Gordon和Betty Moore Foundation（GBMF9064）。