日本研究人员揭示了弱磁场如何即时控制量子金属中的电流方向。

量子金属是这样一类材料：其中通常仅局限于原子尺度的量子效应，强大到足以影响其宏观电学特性。

日本一研究团队现已揭示了电流在一种名为“笼目金属”的独特量子金属中的运作机制。该研究首次证实，微弱磁场能够改变这些材料内部微小循环电流的方向。当电流方向发生逆转时，金属的整体电学特性随之改变，电流的优先流向也随之调整。这一现象被称为“二极管效应”，意味着电流在一个方向上的流通比另一个方向更为顺畅。

科学家们还发现，量子几何效应可使这一转换过程加快近百倍。该研究发表于《美国国家科学院院刊》，为未来可通过简单磁场引导的电子技术奠定了理论基础。

尽管自2020年左右起，实验中便已观测到卡戈梅金属中存在不寻常的磁性转换现象，但其成因与惊人的强度依旧成谜。本研究首次从理论上对这两者作出了解释。

当受挫的电子无法稳定下来时

“笼目金属”这一名称源自日语“kagome”，意为“竹篮眼”或“竹篮纹”，它指的是一种能编织出相互嵌套三角形图案的传统竹编技法。

这些金属的独特之处在于，其原子以一种独特的篮式编织结构排列，形成了科学家们所称的“几何阻挫”现象——电子无法形成简单有序的排列模式，而是被迫进入更为复杂的量子态，其中包括环流。

当这些金属内部的环形电流改变方向时，金属的电学特性也随之改变。研究团队表明，环形电流与波状电子模式（电荷密度波）协同作用，共同打破了电子结构中的基本对称性。他们还发现，量子几何效应——这种仅在物质的最小尺度上才会出现的独特行为——能够显著增强这种转换效应。

名古屋大学理学研究科资深作者兼教授近藤浩（Hiroshi Kontani，音译）回忆道：“每次我们观察到磁性转换现象时，便知必有非凡之事发生，却始终无法解释其缘由。”

“卡戈梅金属内置有放大器，能使量子效应比在普通金属中强得多。其晶体结构与电子行为的结合，使它们能够同时打破某些核心物理法则，这一现象被称为自发对称性破缺。这在自然界中极为罕见，也解释了为何该效应如此强大。”

研究方法涉及将金属冷却至约 -190°C 的极低温。在此温度下，笼目金属会自然形成量子态，其中电子形成循环电流，并在整个材料中形成波状图案。当科学家施加弱磁场时，这些电流的旋转方向会发生逆转，进而改变金属中电流流动的首选方向。

新材料邂逅新理论

直到近期，这一量子物理学领域的突破才成为可能，因为 kagome 金属大约在 2020 年才被发现。尽管科学家们在实验中迅速观察到了这种神秘的电开关效应，但却无法解释其作用原理。

所涉及的量子相互作用极为复杂，需深入理解环路电流、量子几何与磁场如何协同作用——此类知识乃近年方兴未艾。此外，这些效应对杂质、应力及外界条件极为敏感，故而研究难度颇高。

“这一发现之所以得以问世，是因为恰逢其时地集齐了三样要素：我们终于拥有了新型材料、理解这些材料的前沿理论，以及恰当研究它们的高科技设备。直至最近，这些要素都未曾齐聚一堂，这也是为何此前无人能解开这一谜团，”近谷教授补充道。

“对这些金属电学性能的磁控技术，有望催生新型磁存储设备或超灵敏传感器。我们的研究为开发下一代量子控制技术奠定了基础认知，”他说道。

参考文献：丽娜·塔赛（Rina Tazai）、山川洋一（Youichi Yamakawa）、森本崇弘（Takahiro Morimoto）与近谷浩（Hiroshi Kontani）合著，《 Kagome金属手性环流相中的量子度量诱导巨型可逆非互易输运现象》，发表于2025年8月25日《美国国家科学院院刊》。 DOI：10.1073/pnas.2503645122

资助方：日本文部科学省、日本科学技术厅进化科学与技术核心研究项目