快訊：不變中有變 量子振蕩新規(guī)律類似俄羅斯套娃

在物理學(xué)家眼中，每一種材料都相當(dāng)于一個神秘的宇宙。探究材料內(nèi)的量子振蕩、電子濃度、導(dǎo)電性等“宇宙信息”，可以幫助科學(xué)家們判斷，這些材料是金屬，還是半導(dǎo)體、絕緣體，繼而決定哪些可以成為制作計(jì)算機(jī)、芯片等設(shè)備、器件的“欽定人選”。

北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授王健、院士謝心澄團(tuán)隊(duì)歷時三年，研究三維層狀拓?fù)洳牧衔屙诨唵尉У拇烹娮栊袨椋l(fā)現(xiàn)了一種新規(guī)律的量子振蕩，即電阻隨磁場對數(shù)呈周期變化的量子振蕩。振蕩出現(xiàn)的磁場值成等比關(guān)系，就像尺寸成等比的俄羅斯套娃一般。這是繼SdH振蕩和AB效應(yīng)等重要發(fā)現(xiàn)之后目前僅知的第三種周期的量子振蕩，被譽(yù)為量子振蕩近90年發(fā)展史上的“新篇章”。

從拓?fù)洳牧现邪l(fā)現(xiàn)“意外之喜”

拓?fù)洌粋€專業(yè)到有些“高冷”的詞匯，近些年成為科學(xué)家的“寵兒”，變得越來越熱。

拓?fù)湓臼且粋€數(shù)學(xué)概念，描述的是幾何體在不撕破、不截?cái)嗟倪B續(xù)形變下，性質(zhì)依然保持不變。上世紀(jì)70年代始，三位學(xué)者在物理學(xué)中引入了拓?fù)涞母拍睿⒂?016年摘得諾貝爾物理學(xué)獎。

拓?fù)洳牧系难芯坎粌H能讓我們了解物質(zhì)的奇異結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，也為電子學(xué)、信息技術(shù)和超導(dǎo)領(lǐng)域帶來新的應(yīng)用，也許還將助力量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。近十年來，世界各國的科學(xué)家都在競相研究拓?fù)洳牧希帗屨荚擃I(lǐng)域的制高點(diǎn)。

自2010年起，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授王健開始研究拓?fù)洳牧希菚r，國內(nèi)該領(lǐng)域的研究剛剛起步，而對拓?fù)洳牧线M(jìn)行電輸運(yùn)研究是其未來走向器件應(yīng)用的關(guān)鍵。“目前制約芯片集成技術(shù)的瓶頸在于器件的散熱問題，器件如果溫度太高，就 ‘罷工’了。如果可以減少電子間的碰撞，就可以避免產(chǎn)生高熱量，實(shí)現(xiàn)低能耗。拓?fù)洳牧暇褪且环N實(shí)現(xiàn)低能耗或者無能耗電子器件的候選材料。若用其制備相關(guān)器件，或?qū)⑼苿酉乱淮畔⒓夹g(shù)的革命。”

2015年左右，王健研究組開始在實(shí)驗(yàn)室研究五碲化鋯晶體的拓?fù)湫裕Y(jié)果收獲了“意外之喜”。

對數(shù)規(guī)律的量子振蕩是普適規(guī)律

“我們在高質(zhì)量的三維層狀拓?fù)洳牧衔屙诨唵尉е邪l(fā)現(xiàn)了一種新規(guī)律的量子振蕩。”談起初探這一規(guī)律的興奮，王健仍忍不住嘴角上揚(yáng)。

所謂量子振蕩，指的是固體材料的某個物理量，由于量子效應(yīng)而表現(xiàn)出的振蕩現(xiàn)象，常見的是磁電阻隨著磁場的變化而發(fā)生的振蕩。

人類首次發(fā)現(xiàn)的量子振蕩始于1930年，那時，舒伯尼科夫(Lev Shubnikov)和德哈斯(W. J. de Haas)在半金屬鉍單晶材料中，觀測到電阻隨磁場的倒數(shù)呈周期性變化的規(guī)律，被稱為SdH振蕩。這是人類觀測并理解的第一個宏觀量子效應(yīng)。目前，SdH振蕩已經(jīng)成為探測材料物理性質(zhì)的重要實(shí)驗(yàn)手段。

此后，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了AB效應(yīng)，這是對應(yīng)電子干涉行為的量子效應(yīng)，其量子振蕩表現(xiàn)為隨磁場呈周期性變化。

王健團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的量子振蕩規(guī)律，與前兩種周期性量子振蕩都不同，即電阻隨磁場對數(shù)呈周期性振蕩。“出現(xiàn)量子振蕩的磁場值在數(shù)學(xué)上成等比數(shù)列。例如，施加一個3特斯拉的磁場，會出現(xiàn)振蕩;再加一個約9、27特斯拉的磁場時，又會出現(xiàn)振蕩。而且，我們觀測到包含5個對數(shù)振蕩周期的明顯結(jié)構(gòu)。這就像俄羅斯套娃，每一個套娃的結(jié)構(gòu)和樣式都是一樣的，只是大小不同。”

王健打了個比方，這一特征在動物學(xué)、金融危機(jī)、地震、湍流等多種研究領(lǐng)域中都有所體現(xiàn)。“例如震級每相差1級,能量相差大約32倍，9級地震的能量是8級地震的32倍，8級地震的能量是7級地震的32倍，那么，9級地震的能量就是7級地震的約1000倍。”

今年9月，王健研究組又在《國家科學(xué)評論》刊文，公布最新研究成果，他們在拓?fù)洳牧衔屙诨x中，也發(fā)現(xiàn)了呈對數(shù)周期變化的量子振蕩。“這意味著對數(shù)規(guī)律的量子振蕩可以在拓?fù)洳牧现衅毡榇嬖冢且环N普適規(guī)律”。

揭示了材料中新的電子狀態(tài)

這一新奇的量子振蕩規(guī)律，在一年多的時間里歷經(jīng)不同樣品、不同磁場強(qiáng)度、不同實(shí)驗(yàn)設(shè)備的驗(yàn)證。王健團(tuán)隊(duì)曾將樣品帶到武漢的國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心進(jìn)行驗(yàn)證，他們將磁場強(qiáng)度最高加到58特斯拉，這相當(dāng)于116萬倍的地球磁場強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磁場強(qiáng)度越高，量子振蕩越明顯。

“而且，這種量子振蕩規(guī)律，在較高的溫度區(qū)間一直存在。大部分的量子效應(yīng)在接近絕對零度時，也就是-273攝氏度附近，會明顯顯現(xiàn)，隨著溫度的升高，量子效應(yīng)會逐漸減弱，但我們在-173攝氏度，還一直能看到量子振蕩。”

對數(shù)周期量子振蕩揭示了材料中存在的一種新的電子狀態(tài)，拓展了科學(xué)家對于材料中量子振蕩的認(rèn)知。不過，這一規(guī)律的應(yīng)用意義尚待發(fā)掘。

王健表示，新規(guī)律初現(xiàn)時，往往很難確定是否有重要應(yīng)用價值，需要經(jīng)過時間的檢驗(yàn)。就像SdH振蕩發(fā)現(xiàn)之初，一直悄然無聲，直到多年后，人們才發(fā)現(xiàn)可以用它測量固體材料中的電子結(jié)構(gòu)，得到載流子遷移率、電子濃度等重要參數(shù)，進(jìn)而判斷材料的潛在用途。例如熱門材料石墨烯，一個典型優(yōu)點(diǎn)就是極高的載流子遷移率，是現(xiàn)在常用的硅的140倍，這也是后來人們將石墨烯作為新型器件重要備選材料的原因之一。(金 鳳)