在这两种奇异材料的边缘，研究人员发现了一种全新的奇异量子态，其中的电子以六种不同寻常的方向流动——这是前所未有的现象。
这种“量子液晶”挑战了我们对物质的认知，并可能催生出强大的新型量子器件。
物质界面上的新型量子态
科学家发现了物质存在的一种新方式——不同于常见的固态、液态、气态或等离子态——存在于由两种奇异材料制成的三明治结构界面上。
科学家称，这种名为量子液晶的新量子态似乎遵循自身的规律，具备能够为尖端技术应用铺平道路的特性。
在《科学进展》（Science Advances）期刊上发表的一篇报告中，罗格斯大学领导的一支研究团队描述了一项实验。该实验重点关注一种名为外尔半金属的导电材料和一种名为自旋冰的绝缘磁性材料在受到极高磁场作用时的相互作用。这两种材料因其独特且复杂的性质而各自闻名。
“尽管每种材料都已被广泛研究，但它们在这一边界上的相互作用却完全未被探索过，”吴宗奇（Tsung-Chi Wu）说道。他于今年6月获得罗格斯大学物理与天文学专业的博士学位，也是本研究的第一作者。“我们观察到，只有当这两种材料相互作用时，才会出现新的量子态。这在高磁场中创造了一种新的量子拓扑物质态，而这是以前所未知的。”
磁场释放意外电子流
该团队发现，在这两种材料的界面处，外尔半金属的电子特性会受到自旋冰的磁性的影响。这种相互作用导致了一种非常罕见的现象，即“电子各向异性”，即材料在不同方向上的导电性不同。他们发现，在360度的范围内，六个特定方向上的导电性最低。令人惊讶的是，当磁场增强时，电子会突然开始朝两个相反的方向流动。
这一发现与量子现象（称为旋转对称破缺）中的一个特征相一致，表明在高磁场中出现了一个新的量子阶段。
迈向强大的量子传感器
吴（Wu）表示，这一发现意义重大，因为它揭示了控制材料特性的新方法。通过了解电子在这些特殊材料中的运动方式，科学家有望设计出新一代超灵敏量子磁场传感器，这种传感器在极端条件下（如太空或大型机器内部）表现最佳。
外尔半金属（Weyl semimetals）是一种特殊材料，得益于一种名为外尔费米子的特殊相对论准粒子，它允许电流以极高的速度和零能量损失进行非寻常流动。另一方面，自旋冰（Spin ice）是一种磁性材料，其中的磁矩（材料内部微小的磁场）以一种类似冰中氢原子位置的方式进行排列。当这两种材料结合在一起时，会形成一种由不同材料的原子层组成的异质结构。
极端条件下产生的新物质
科学家发现，在极端条件下会出现新的物质状态，包括极低温度、高压或强磁场，并以奇特而迷人的方式存在。吴表示，罗格斯大学主导的实验等可能会带来对物质的全新、根本性理解，超出自然界存在的四种物质状态。
吴说：“这只是个开始。当这些材料结合成一个异质结构时，探索新的量子材料及其相互作用具有多种可能性。我们希望我们的工作也能激发物理学界去探索这些激动人心的新领域。”
该项目首席研究员、物理与天文学系实验物理克劳德·洛弗莱斯 (Claud Lovelace) 冠名教授兼本研究合著者雅克·查哈利安 (Jak Chakhalian) 带领研究团队，结合多种实验技术开展了此项研究。本研究还得到了物理与天文学系副教授兼本研究合著者杰迪代亚·皮克斯利 (Jedediah Pixley) 的理论指导。
“正是实验与理论的合作才使得这项工作成为可能，”吴说。“我们花了两年多的时间才理解了实验结果。这都要归功于皮克斯利（Pixley）团队所做的最先进的理论建模和计算，尤其是博士后研究员皮克斯利（Jed Pixley）和常乐卿（Yueqing Chang）。作为罗格斯（Rutgers）团队的一员，我们将继续合作，推动该领域的发展。”
解开MagLab的数据之谜
大多数实验都是在佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室（MagLab）进行的，该实验室为研究这些材料提供了超低温和强磁场等独特条件。
吴（Wu）说：“为了进行这些实验，我们不得不发起合作，并多次前往MagLab，每次都会改进想法和方法。”“观察到这些新现象的关键在于超低温和强磁场。”
构建量子异质结构
该研究建立在查哈利安（Chakhalian）、米哈伊尔·卡列夫（Mikhail Kareev）、吴（Wu）以及其他物理学家今年早些时候发表的、由罗格斯大学（Rutgers）主导的早期研究基础之上。该报告描述了四年持续不断的实验如何促成了一种设计和构建独特、微小、由外尔半金属（Weyl semimetal）和自旋冰（spin ice）组成的原子厚度结构的新方法。这种量子异质结构如此难以创建，以至于科学家们开发了一种制造它的机器：量子现象发现平台（Q-DiP）。
查哈利安表示：“在那篇论文中，我们描述了如何制造异质结构。而这篇新发表的《科学进展》论文则是关于它能做什么。”
参考文献：2025年6月13日发表于《科学进展》（Science Advances）的论文《外尔半金属/自旋冰界面处的电子各向异性与旋转对称性破缺》，作者为吴宗契、常乐庆、吴昂坤、迈克尔·特里利、温芳笛、米哈伊尔·卡列夫、崔恩尚、大卫·格拉夫、张庆华、顾琳、王振涛、耶底底亚·H·皮克斯利和雅克·查哈利安》。DOI：10.1126/sciadv.adr6202
除恰哈良、吴、常和皮克斯利之外，该研究中的罗格斯大学研究人员还包括吴昂坤（Ang-Kun Wu，音译）、迈克尔·特瑞里（Michael Terilli）、文方迪（Fangdi Wen，音译）和米哈伊尔·卡列夫（Mikhail Kareev）。
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