麻省理工学院的研究人员发现了一种新量子材料的一些奇异特性背后的“秘密武器”，这种材料由于这些特性(包括超导性)而让物理学家着迷。尽管理论学家已经预测了这种被称为“kagome金属”材料的奇异特性的原因，但这是第一次在实验室中观察到这些特性背后的现象。这项研究发表在2022年1月13日的《自然物理学》杂志的网络版上。

麻省理工学院物理学助理教授Riccardo Comin说：“希望我们对kagome金属电子结构的新理解能帮助我们建立一个丰富的平台来发现其他量子材料”。他的团队领导了这项研究。这一研究反过来可能会导致一类新的超导体、量子计算的新方法和其他量子技术的出现。

经典物理学可以用来解释我们这个世界的任何现象，直到事物变得极其微小。像电子和夸克这样的亚原子粒子有着不同的行为方式，而且到目前为止仍没有完全理解。量子力学就是一门试图解释它们的行为和由此产生的影响的学科。

kagome金属是一种新的量子材料，或者说是一种在宏观尺度上表现出量子力学奇异特性的材料。2018年，Comin和麻省理工学院物理学副教授Joseph Checkelsky领导了对kagome金属电子结构的首次研究，并激发了人们对这一材料家族的兴趣。Kagome金属家族成员的原子层是以类似于大卫之星(如上图形状)的重复排列单元组成。

Comin说：“这一新的材料家族已经吸引了很多人的注意，因为它为量子物质提供了一个丰富的新场地，它可以表现出非常规超导性、向列性和电荷密度波等奇异特性。”

在加州大学圣巴巴拉分校Stephen Wilson教授(他也是该论文的合著者)的实验室中，Comin及其同事在新研究的kagome金属家族中发现了其超导性和电荷密度波序的暗示，并在那里还合成了单晶。这一工作中探索的特定kagome材料仅由三种元素(铯、钒和锑)组成，化学式为CsV3Sb5。
 
研究人员重点研究了kagome金属在冷却到室温以下时所表现出的两种奇异特性。在这些温度下，材料中的电子开始表现出集体行为。Comin说：“它们能互相交谈，而不是独立的移动。”

由此产生的特性之一是超导性，它使材料能够非常有效地导电。在普通金属中，电子的行为很像在房间里单独跳舞的人。在Kagome超导体中，当材料冷却到3开尔文(-270.15℃)时，电子开始成对的移动，就像一对情侣在跳舞一样。Comin说：“所有这些电子对都在步调一致的移动，就好像它们是量子舞蹈的一部分。”

在100开尔文温度时，Comin和合作者研究的Kagome材料表现出另一种奇怪的行为，它被称为电荷密度波。在这一情况下，电子以波纹的形式排列，很像沙丘中的波纹。Comin说：“它们哪儿也不去，它们被困在了原地”。波纹中的峰值代表了一个富含电子的区域，而低谷则是电子贫乏的。电荷密度波与超导性非常不同，但它们仍然是一种物质状态，电子必须以一种集体的、高度有组织的方式排列。它们再次形成了一种编舞，但它们不再跳舞了。现在它们形成了一种静态模式。”

Comin指出，kagome金属引起物理学家极大兴趣的部分原因是它们可以同时表现出超导性和电荷密度波。他说：“这两种奇异的现象经常相互竞争，因此在一种材料同时承载这两种现象是不寻常的。”

但这两个属性出现的背后原因是什么？该论文第一作者、麻省理工学院物理系研究生Mingu Kang说：“是什么导致电子开始相互交谈，并开始相互影响？这是关键的问题。通过探索这种新材料的电子结构，我们发现电子表现出一种被称为电子奇点的有趣行为。”这个特殊的奇点是以第一个发现它的比利时物理学家Léon van Hove的名字命名。

van Hove奇点涉及电子能量和速度之间的关系。通常，运动中粒子的能量与其速度的平方成正比。Comin说：“这是经典物理学的一个基本支柱，‘本质上’意味着速度越大，能量就越大。”你可以想象一个棒球队的投手用一个快球击中你，然后一个孩子试图做同样的事情。投手的球会比孩子的球更具伤害性，也就是说后者的能量要更少。

Comin团队发现，在kagome金属中，这条规则不再适用。相反，以不同速度行进的电子恰好都具有相同的能量。结果是投手的快球与孩子的打击效果是相同的。Comin指出，这是非常违反直觉的。

当材料中同时存在许多具有相同能量的电子时，它们之间的相互作用就会更加强烈。由于这些相互作用，电子可以配对并变得超导，或以其他方式形成电荷密度波。Kang补充道：“van Hove奇点存在于具有这两种特性的物质中，并作为这些奇异现象的共同来源是完全合理的。因此，这个奇点的存在是使kagome金属量子行为成为可能的‘秘密武器’。”

该团队对kagome材料中能量和速度之间关系的新理解也很重要。Comin指出，因为它将使我们能够为开发新的量子材料建立新的设计原则，此外，也让我们现在知道如何在其他系统中找到这种奇点。

物理学家在分析数据时，大多数情况下必须先处理数据，然后才能看到明显的趋势。然而，kagome系统“给了我们关于正在发生的事情的直接反馈，”Comin说。“这项研究最好的部分是能够在原始数据中看到这个奇点。”（编译:Qtech）