说到相变，可能大家最有概念的是物质的固、液、气三相之间的相变。在不同的温度和压力影响下，物质可以从一种相变成另一种相，比如冰可以变成水也可以变成水蒸气。除了三态相变，还有其他类型的相变，比如我们加热一块磁铁，磁铁的铁磁性会到达一定情况下忽然消失。
相似地，由量子涨落可造成量子相变。量子发生相变时，在量子多体系统中基态的性质也会随着外部参数变化发生突然改变。但亚原子粒子较其他粒子并不具有明显的特征，它们是现阶段现代物理学中物质的最小组成部分，其状态在彼此间存在强相互作用时几乎不可能被控制，但这一现状随着普林斯顿大学的研究取得进展而发生了改变。
最近，普林斯顿大学与中国科学院物理研究所合作发现了物质的一种新型量子态，这种量子态的可调性极高，或能为未来纳米或量子技术的发展提供新的可能。论文第一作者殷嘉鑫对 DT 君说，“纳米或量子计算机技术往往需要磁电之间的转换，我们的这个发现意味这实现了高效磁电转换新的突破方向。”这项研究在 9 月 12 日刊登在Nature杂志上。
图 |Nature刊登新型量子态研究（来源：Nature）
这项研究在一种称为竹笼形（Kagome）磁体的晶体中，发现了一种可被随意“调控”的新型量子态，其可调性较现有理论的解释范围高出 10 倍，对下一代纳米和量子计算技术的研发来说意义非凡。
Zahid Hasan 说：“我们为量子拓扑领域发现了一个新的‘控制键’，但希望这只是冰山一角，将来若能由此发现一个材料物理相关的全新领域，纳米工程方面的研究将受益匪浅。”
由于实验结果不能被现有理论所解释，Hasan 与论文共同作者在发表于自然杂志的论文中将该发现称为物质的一种新型量子态。
图 | 普林斯顿大学 Hasan 研究组（来源：普林斯顿大学）
新量子态可通过磁场控制拓扑对称性
物质的三大经典形态（classical phases of matter），固态、液态和气态间的相互转变，源于构成物质的原子和分子间的相互作用。但在物质的量子态（quantum phase of matter）中，这种相互作用发生在电子之间，且比经典态的情况要复杂得多。
而现在，用 Hasan 本人的话来说，他的团队“发现了一种在量子层面可控的、量子拓扑磁体上的一种奇特量子效应”。
Hasan 说：“关键在于关注粒子在磁场中相互作用的方式，而非单个粒子的行为。就像人类一样，个人与集体的行为有时会存在很大的差异。你可以研究单个粒子的各种细节，但由于粒子间存在着很强的相互作用，这并不能帮你预测出当多个粒子被放在一起时所呈现的‘集体行为’。”
为了研究这种量子“集体行为”，Hasan 的团队在实验中以各种方式将原子排列在晶体表面，并观察会发生什么。团队在研究中使用了由位于中国大陆和台湾地区、以及普林斯顿的合作团队所制备的各种材料。而一种名为“竹笼形晶格”的特殊六折式蜂窝形 (six-fold honeycomb shape) 排列方式（得名于与其结构很像的一种竹笼），让实验产生了令人震惊的结果。
图 | 竹笼形晶格（来源：维基百科）
现有的所有理论都预测电子会粘附在这种六折式排列上，但实验结果却是电子以一种双对称（two-fold symmetry）模式排列成了一条直线。
Hasan 说：“电子忽略了晶格的对称性，重新定向，以排成一条直线的方式使跃迁更易发生。电子忽略了晶格，形成了自己的‘社会结构’，这使该研究成了物理学中真正的前沿。”
图 | 论文的通讯作者 M. Zahid Hasan（来源：普林斯顿大学）
Hasan 此前曾一直致力于拓扑材料附属领域（subfield）的开创性研究，在分类上属于凝聚态物理。他的团队曾在几年前发现了量子拓扑磁体（topological quantum magnets）。
参与实验的研究人员都震惊于这种特异的双对称电子排列，论文共同第一作者，Hasan 实验室的一名研究生，Songtian Sonia Zhang 说：“我们原本期望找到六折的排列形式，但却发现了一些完全出乎意料的东西。而随后对此的调查将我们引向了更多意想不到的事物，但理论学家们根本没有预测到这种情况的存在，这意味着我们发现了一些新的东西，这实在是太有趣了。”
实验中出现的电子和原子排列间的解耦（decoupling）已足够令人震惊，但研究人员随后又发现，通过外置磁场，他们可以在不移动晶格的情况下将那条由电子排成的直线转至任何方向。
图 | 通过外加磁场可控制竹笼形晶体电子排列方向（来源：Nature）
Hasan 说：“Sonia Zhang 在研究中注意到了这一点，尽管对人类来说一种文化并不会被轻易改变，但你却可以通过施加一个外部磁场改变电子的‘文化’。”
目前，科学家们还无法给出该现象的成因。
研究团队的一些猜测主要认为，这种新型量子态“和材料电子结构中的拓扑特性相关。”殷嘉鑫对 DT 君说。
然而，比这种名为非均向性（anisotropy）的解耦现象更令人震惊的是该效应的规模，其规模较理论预期足足多出了一百多倍。物理学家用一个名为“g 因子（g factor）”的无单位量表示材料中电子结构对外界磁场的相应系数，g 因子越高，说明材料可被较弱的磁场显著调控其电子结构。真空中电子 g 因子的精确计算值略高于 2，但研究人员发现，在电子间存在强相互作用的情况下，实验中所算出材料 g 因子有效值为 210。
关于是否有其他晶体也存在高 g 因子值，殷嘉鑫告诉 DT 君，确实有“很多重元素组成的半导体材料也具有比较高的 g 因子，一般在 10~50 左右。但其（与竹笼形晶体高 g 因子的）机制可能并不相同。”
未参与研究的哈佛大学物理学教授兼物理系主任 Subir Sachdev 对此评论道：“一般来说，很少有磁场能对材料的电子特性产生如此巨大的影响。”
目前，能够达到新型量子态的材料还有待进一步探索。关于搜寻这些新材料的一些线索，殷嘉鑫告诉 DT 君，“从我们的结果看，寻找类似材料大概有一些方向：需要特殊的晶格对称性（这些对称性往往使得材料电子结构具有拓扑性质），需要较强的自旋轨道耦合（化学元素重一些）。当然我个人觉得我们开发出矢量磁场下的实空间-动量空间成像与调控手段也是表征这种现象最有效的方法。”
图 | 实验中的电子波干涉图案----普林斯顿大学的一项研究发现，当外置磁场的方向（图中箭头方向）发生改变时，竹笼形磁体上方的线性电子流向也会随之改变。（来源：普林斯顿大学）
研究中做出该发现的仪器是放置在 Jadwin Hall 地下室中的“扫描穿隧光谱显微镜（scanning tunneling spectromicroscope）”，该仪器有两层楼高，由多个组件构成，在外置可旋转矢量磁场（rotatable vector magnetic）环境中运行。光谱显微镜的分辨率小于原子大小的一半，这使它能扫描单个原子并检测改原子中的电子细节，并同时测量电子的能量和自旋分布。仪器的工作温度接近绝对零度，在安装上与地板和房顶分离，以防止任何可能的振动对观测造成影响（哪怕只有原子大小）。
Hasan 说：“仪器工作环境的温度在 0.4 开尔文左右，这比外太空（约 2.7 开尔文）还冷，我们为材料样本所在管道所创造的真空条件比地球上部大气层还薄约一万亿倍，实现这些条件花了我们足足五年。”
殷嘉鑫向 DT 君透露，他在“2017 年进入普林斯顿后，在 Hasan 指导下带领研究生 Songtian Zhang 对已有扫描隧道显微镜实验仪器和实验技术进行改进，并表征了 LiFeAs 材料在 9T-2T-2T 矢量磁场和 400mK 温度下的磁通相图，率先报道了关联超导体对矢量磁场的响应，并开发了矢量磁场下实空间-动量空间电子成像与调控的先进研究方法 (arXiv:1802.10059 (2018))。”他们随后利用这种先进手段探索了许多量子材料，最终在 Fe3Sn2中发现了这巨大的矢量磁场响应。
图 | 具有特殊量子态的晶体 Mn3Sn 和 Fe3Sn2（来源：Nature）
打破常规，新型量子态助力纳米和量子计算技术开发
值得注意的是，此前并没有理论曾对这种新型量子态作出预测。Hasan 表示：“根据现有的量子材料理论，我们可以算出许多东西，但这项研究令人兴奋的原因在于它向我们展示了一种此前未知的量子效应，这对纳米技术研究，尤其是在开发传感器方面具有很大的意义。在量子技术层面上，材料过低的有效 g 因子值会导致拓扑、磁体和超导这三者不能有效结合，而一种具有如此高的有效 g 因子值的材料意味着适当的磁场可在系统中施加显著影响，这为未来的量子和纳米技术发展提供了新的可能。”
但这同时也为解释新型量子态机制提出了挑战。
未直接参与研究的加州理工学院物理学教授 David Hsieh 说：“该发现的确有可能是物质新型量子态存在的证据，这令人感到兴奋，但仍有很多后续工作要做。我们需要发展一个可以解释该现象的理论，搞清楚究竟是什么导致了这种情况的发生。”
Hasan 对现有物理理论范畴外的研究兴趣很大，而这也正是论文共同作者，殷嘉鑫选择来 Hasan 实验室工作的原因。殷嘉鑫说：“当时，实验室里的同事们都鼓励我去研究一个现代物理中已经被定性的问题，但当我和 Hasan 教授交谈时，他跟我讲了一些很有趣的事情，他说他正在寻找物质的新形态，研究一个没有定性的问题，而研究所要做的，便是寻找问题本身。”
图 | 论文第一作者殷嘉鑫（来源：普林斯顿大学）
殷嘉鑫在谈到新量子态可能的一些应用时表示，“我们发现不同磁场角度对应与不同电子态构型（及不同的量子信息）。这些量子信息可以被电测量采集识别。比起常规的磁电转换器件，一是在幅度上有提升（可能会提高容错率，使得器件更鲁棒），二是增加了新的调控维度即多重空间角度。对该项技术的进一步开发有可能实现磁电量子信息的高效读取与编译。”
Sonia Zhang 说：“在研究物理时，我们总是在寻找事物究竟是在以何种方式运作，而此次研究的发现着实让我们又向前进了一步。”
在谈到未来研究的展望时，殷嘉鑫表示，“我们希望利用目前的研究方法去探索更多的量子材料，希望能发现更大的电磁响应或者其他新奇衍生现象，为人类下一代电子信息技术做好充足的知识储备。”
Zhang 和她的同事目前正在通过寻找一种新的量子结构革新我们对世界的认知，Hasan 说：“我们的实验正将人类的认知推向至更远的地方，那里目前充满未知，尚无理论可言。”
但同时，这也意味着这项发现离真正应用还有很长但路要走。目前，“只是在低温下（4.2K) 探索了材料的磁电性质和其形成机理，尤其是与拓扑的联系。实际应用最好能在液氮温度（77K）或者室温（这个材料的磁转变在 600K）。希望下一步探索这个材料在更高温度下电磁响应。”殷嘉鑫说。
