陈根：新量子材料，特性令人惊讶

文/陈根

在日常生活中，相变通常与温度有关，例如冰块遇暖融化。但是，取决于其他参数的改变，例如磁场，存在着不同类型的相变。为了理解材料的量子特性，当相变直接发生在温度的绝对零点时，它们会产生十分有趣的转变，这些转变称为“量子相变”或“量子临界点”。

通常情况下，量子临界行为发生在金属或绝缘体中。但近日，研究人员在一种半金属中发现了这一行为。该材料是一种铈、钌和锡的化合物，其特性介于金属和半导体之间。另外，量子临界只能在非常特殊的环境条件下产生，需要一定的压力或电磁场。然而，令人惊讶的是，这种半金属在没有受到外部影响的情况下也能产生量子临界。

这一结果可能与材料中电子的特殊行为有关。该材料拥有一个高度相关的电子系统，这意味着电子之间有会产生很强的相互作用，即所谓的近藤效应。此外，在这里，材料中的一个量子自旋会被它周围的电子所屏蔽，致使该自旋不再对材料的其他部分有任何影响。

如果只有相对较少的自由电子，如半金属中的情况，那么近藤效应是不稳定的。这可能是该材料量子临界行为的原因所在，即系统在有近藤效应的状态和无近藤效应的状态之间波动。

这一结果之所以如此重要，主要是因为它被猜测与“Weyl费米子”现象相关。在固体中，Weyl费米子可以以准粒子的形式出现，即作为集体激发，如池塘中的波浪。

根据理论预测，这种Weyl费米子应该存在于这种材料中。然而，实验还没有找到，但科学家们怀疑他们观察到的量子临界性有利于Weyl费米子的出现。量子临界波动可能对Weyl费米子有稳定作用，其方式类似于高温超导体中的量子临界波动将超导库珀对固定在一起。

一般来说，某些量子效应，即量子临界涨落、近藤效应和Weyl粒子与新发现的物质紧密缠结在一起，它们共同产生了奇特的魏尔·康多状态。这些是具有高度稳定性的“拓扑”状态，与其他量子状态不同，这些状态不能轻易地被外部干扰破坏，因此对于量子计算的制造具有重要意义。

为了验证这一切，科学家们将在不同的外部条件下进行进一步的测量，他们预测在其他材料中也可以发现量子效应的相似相互作用。未来，这可能会导致新材料的设计概念发生改变。