摘要：一项新的研究揭示了一类新的量子关键金属，从而阐明了量子材料中电子的复杂相互作用。该研究探讨了特定晶格结构中近藤耦合和手性自旋液体的影响。...

赖斯大学的Qimiao SI领导的一项新研究推出了一类新的量子关键金属，阐明了量子材料中电子的复杂相互作用。发表在物理评论信9月6日，该研究探讨了特定晶格结构中近藤耦合和手性自旋液体的影响。

Si，Harry C.和Olga K. Wiess物理学和天文学教授，赖斯的极端量子材料联盟的主管Si说：“这一发现从这一发现中获得的见解可能导致具有极高敏感性的电子设备的发展。”

量子相变

这项研究的核心是量子相变的概念。正如固体，液态和气体状态之间的水变化一样，量子材料中的电子可以随着环境的变化而在不同阶段之间移动。但是与水不同，这些电子遵循量子力学的规则，导致更复杂的行为。

量子力学引入了两个关键影响：量子波动和电子拓扑。即使在热波动消失的绝对零处，量子波动仍然会导致电子组织的变化，从而导致量子相变。这些过渡通常会导致极端的物理特性称为量子关键。

此外，量子力学为电子提供了与拓扑相关的独特特性，这是一种数学概念，当应用于电子状态时，可以产生异常且潜在的有用的行为。

这项研究是由SI小组与Silke Paschen，研究合着者以及维也纳技术大学物理学教授及其研究团队的长期合作进行的。他们共同开发了一个理论模型来探索这些量子效应。

理论模型

研究人员考虑了两种类型的电子：有些人移动缓慢，例如卡在交通中的汽车，而另一些则迅速在快车道上移动。尽管缓慢移动的电子看起来静止，但它们的旋转可以指向任何方向。

Si说：“通常，这些旋转会形成有序的模式，但是他们在我们模型中居住的晶格不允许这种整洁，导致几何挫败感。”

取而代之的是，旋转形成一种更具流体的排列，称为量子自旋液体，它是手性的，并在时间上挑选方向。当这种自旋液体与快速移动的电子伴侣时，它具有拓扑作用。

研究团队发现，这种耦合还触发了一个临界阶段的过渡，在该阶段，慢电子的旋转锁定在快速阶段。该研究揭示了电子拓扑与量子相变的复杂相互作用。

通常的电气传输

当电子通过这些过渡中移动时，它们的行为发生了巨大变化，尤其是在传导电力方面。

Paschen说，最重要的发现之一是关于大厅的效应，它描述了电流如何在外部磁场的影响下弯曲。

她说：“大厅效应包含一个由电子拓扑启用的组件。” “我们表明，这种效果在量子关键点突然跳跃。”

对未来技术的影响

这一发现促进了我们对量子材料的理解，并为未来技术开辟了新的可能性。 Si说，研究团队发现的重要部分是，大厅的效应对量子相过渡的反应巨大。

他说：“多亏了拓扑，这种响应发生在微小的磁场中。”

异常的特性可能会导致新型电子设备的开发，例如具有极高敏感性的传感器，可以彻底改变医疗诊断或环境监测等领域。

该研究的共同作者包括中国安海大学的Wenxin Ding，赖斯的SI小组的前博士后研究员，以及加利福尼亚州立大学的稻米校友Sarah Grefe '17。

这项研究得到了美国国家科学基金会，空军科学研究办公室，罗伯特·A·韦尔奇基金会和Vannevar Bush教师奖学金的支持。