研究人员从一维量子材料中发现新的拓扑相变

▲BACOVO的螺旋结构。氧原子（红色球体）围绕中心钴原子，形成八面体。蓝色箭头为钴原子的微小动差，沿螺旋链呈反铁磁性。

物质的相变广泛存在于日常生活中。其中，部分相变可能以另一种形式存在——由拓扑激发所致。来自瑞士日内瓦大学（UNIGE）、CEA、CNRS和UGA的研究人员，与中子中心（ILL和PSI）合作，致力于研究一种神秘的一维量子材料（BACOVO）。他们从该材料中发现了新的拓扑相变。该相变与两种不同拓扑激发相关。此外，他们还可以选择其中一种作为“支配”拓扑。相关研究日前刊载于《自然·物理学》。

据2016年诺贝尔物理学奖获得者David Thouless, Duncan Haldane和Michael Kosterlitz预测，量子材料中的拓扑激发可能会导致相变。关于拓扑激发已经诞生了诸多理论，其中包括在单一材料中将两种拓扑激发结合在一起的可能性等。这真的可能吗？如果是，那么会发生什么？UNIGE、CEA、CNRS和UGA的研究人员首次提供了实验验证，证实在单一材料中可同时存在两种拓扑激发，并且两者处于竞争态。这一成果将在神奇的量子特性世界掀起一场小革命。

BACOVO（BaCo2V2O8）是一种具有特殊性能的一维反磁性材料。Béatrice Grenier（CEA）, Sylvain Petit（CNRS）和Virginie Simonet（UGA）强调说：“BACOVO是一种以螺旋结构为特征的氧化物，我们针对其做了大量实验，发现了一种奇特的相变。”为此，他们拜访了UNIGE的量子物理学教授Thierry Giamarchi寻求帮助。Giamarchi解释说：“根据实验结果，我们建立了能够解释奇特相变的理论框架。随后，又利用新实验对理论模型进行了测试，以验证其有效性。”

研究目的是了解BACOVO的量子特性（尤其是拓扑激发）是如何表现的。纳米科学与低温学研究所（CEA/UGA）和奈尔研究所博士生Quentin Faure说：“为了达到这一目的，我们使用了中子散射技术。中子束发射到材料表面，中子像小磁铁一般与BACOVO相互作用，进而使我们了解其特性。”当研究人员证实UNIGE开发的模型与实验相匹配后，这成为了BACOVO的“标准模型”。Giamarchi教授激动地指出：“我们与Shintaro Takayoshi先生建立的模型准确预知了实验结果！”但实验也出现了一些预料之外的结果，UNIGE量子物理学研究员Shintaro Takayoshi说：“将BACOVO放置于磁场中，BACOVO中出现了第二组拓扑激发，并且该激发与第一组激发形成竞争。这验证了70年代和80年代诺贝尔科学家们开创的理论。”此外，Shintaro Takayoshi补充道，他们还首次通过实验，控制其中一种拓扑激发“支配”了另一种拓扑激发。

基于实验结果，研究人员可以通过控制拓扑激发，随意调整BACOVO的相变。Giamarchi教授总结说：“BACOVO的研究结果揭示了量子物理学的一系列可能性。虽然现在我们尚处于基本水平，但通过努力，我们会不断接近量子科学的应用。”

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 编译：雷鑫宇 审稿：西莫  编辑：张梦

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