由美国密歇根大学领导的一支研究团队在一种绝缘体内部发现了量子振荡，这不仅颠覆了对材料性质的传统认识，还暗示着，导体与绝缘体之间存在某种神秘的“新二象性”。

研究材料性质的密歇根大学物理学教授李璐知道，人们渴望了解他的研究如何引领新技术或发明创新。然而，并非每一项发现都具有显而易见的用途。有些研究成果实在是过于奇特或极端，无法立即转化为实际应用。

李璐与一个国际研究团队共同发现了这样一种令人困惑的现象。他们的研究已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

“我很想说它有着良好的应用前景，但我的研究却不断助推这个梦想，”李璐表示，“不过，我们发现的东西自然称得上离奇至极且令人兴奋不已。”

这项研究聚焦于一种被称为量子振荡的现象。李璐解释称，在金属中，此类振荡会在电子像微小弹簧一样运动时发生。通过施加磁场，科学家可以控制这些电子“弹簧”的运动速率。

然而，近年来，科学家在绝缘体（通常不导热、不导电的材料）中也观察到了类似振荡。这一出乎意料的发现在该领域引发了一个重大问题：这些振荡是仅发生在材料的表面，还是源自其内部深处？

面与体之谜

从应用的角度来看，更令人着迷的答案会是“只发生在表面”。科学家已经在研究一种被称为拓扑绝缘体的材料，这类材料在表面表现出类似金属的性质，而在内部仍保持绝缘体的特性，从而为新的电子、光学和量子技术提供了可能性。

然而，李璐与同事们和世界上规模最大、实力最强的磁体实验室美国国家强磁场实验室合作，给出了量子振荡源自材料内部的证据。

“我真希望自己知道该怎么应对这种现象，但在当前阶段，我们毫无头绪，”李璐说，“我们现在所拥有的是一种非凡现象的实验证据。我们已经把它记录了下来，但愿在将来某个时刻，我们能知晓如何运用它。”

一种新的二象性

李璐将这项研究视为探索他所谓“新二象性”的前沿工作。“旧”的二象性伴随着一个多世纪前量子力学的诞生而出现。在那段时间里，科学家证明了光和物质同时表现出粒子性和波动性。这一理念不仅被证明在基础物理学中具有划时代意义，还促成了诸如太阳能电池和电子显微镜等如今已司空见惯的技术。

对李璐而言，新的二象性是材料能够同时表现为导体和绝缘体的能力。为了在这一背景下探索量子振荡，他的团队在极强磁场中使用了一种名为硼化镱的材料进行实验。

“实际上，我们发现过去那种把材料表面视为可导电、可用于电子器件的朴素图景是完全错误的，”李璐说，“整个化合物都表现得像金属，尽管它是绝缘体。不幸的是，这种疯狂的金属行为只在35特斯拉的磁场下才会出现——这一磁场强度大约是核磁共振成像设备内部的35倍。”

尽管这一现象的实际应用还不明确，但它带来的疑问却层出不穷。研究人员正在思考这种行为的机理，以及是否能在更温和的条件下对其加以利用。

资料来源 SciTechDaily