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现在你看得到它，转眼又看不到：材料可在量子态之间切换
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现在你看得到它，转眼又看不到：材料可在量子态之间切换 ——美国阿贡国家实验室 由美国能源部（DOE）Argonne National Laboratory领导的一组科学家，在一种新型硫化镍材料中发现了一种罕见且可切换的量子特性。这一发现有望应用于高速晶体管、自适应传感器以及其他需要实时调控材料电子结构的器件。相关研究发表在期刊 Matter 上。 该化合物 KₓNi₄S₂（0 ≤ x ≤ 1）由镍和硫构成的层夹在钾层之间。“(0 ≤ x ≤ 1)”表示材料中的钾含量可以从完全没有钾到每个结构单元含有一个完整的钾原子，具体取决于样品。 这一材料最早在2021年的一篇论文中被详细报道，最初是作为开发更多超导体研究的一部分而合成的。在研究其层状结构特性时，研究人员偶然发现了一个非凡的现象：施加电流可以将钾层驱逐出去，使“夹层结构”塌缩，从而改变材料的结构。 这一过程是可逆的，使得同一种材料可以呈现两种不同的量子特征：狄拉克锥（Dirac cones）和平带系统（flat bands）。 “你可以调节从材料中移除的钾的多少，从完全移除到完全保留，以及中间的任意状态。这意味着你可以在同一材料中在不同量子态之间切换，”西北大学教授、同时也是阿贡国家实验室材料科学家的 Mercouri Kanatzidis 表示，他领导了这项研究。 “我无法说出还有哪种材料能做到这一点——即使存在，也并不为人熟知。” 参与该研究的阿贡国家实验室主要成员还包括首席材料科学家 Duck Young Chung、伊利诺伊大学芝加哥分校的联合任命研究员 Hyowon Park，以及博士后研究员 Hengdi Zhao 和 Xiuquan Zhou（现为乔治城大学助理教授）。 狄拉克锥和平带可以充当电子（带负电的亚原子粒子）的“交通调度器”。在狄拉克锥中，电子表现得质量很小，能够高速运动；而在平带中，同样的电子则表现出较大的有效质量，运动速度显著降低。 研究人员在阿贡国家实验室的纳米尺度材料中心（CNM）制备了该材料样品，并利用实验室计算资源中心的 Bebop 高性能计算集群计算其电子结构。 他们还在先进光子源（APS）对样品进行观测，从而验证了 KₓNi₄S₂（0 ≤ x ≤ 1）中这两种量子态的共存。CNM 和 APS 均为美国能源部科学办公室的用户设施。 这并不是 Kanatzidis 团队首次在超导材料研究中获得意外发现。此前，一种最初被设计为潜在超导体的化合物虽未实现超导性能，但却成为电池及其他能量转换技术的优良候选材料。 Kanatzidis 还研究了用于下一代光伏技术的卤化物钙钛矿材料，并因此于2026年获得了美国化学学会的威廉·H·尼科尔斯奖章。 开发这些新型化合物的基础科学研究的最终目标，是发现新的量子材料和超导体。在这一过程中，每一步都带来了重要见解，例如开发出一种用于发现和合成含有两种或更多元素的晶体材料的新方法。KₓNi₄S₂（0 ≤ x ≤ 1）正是通过这种方法制备的。 “该材料中较高含量的镍意味着镍原子之间必须相互作用并形成键，这正是我们认为其产生这些有趣性质的原因，”Kanatzidis 表示。 “我们现在对这类化合物形成机制有了更深入的理解，接下来希望将这种合成方法推广，以发现更多类似材料。” Publication details Hengdi Zhao et al, Evolution from topological Dirac metal to flat-band-induced antiferromagnet in layered KxNi4S2 (0 ≤ x ≤ 1), Matter (2026). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102418 |
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