量子物理学最大的成就之一是重塑了我们对原子的看法。Out 是 1900 年代初期的微型太阳系模型，其中电子围绕固体核旋转。相反，量子物理学表明电子过着更有趣的生活，在看起来像小气球的云中绕着原子核蜿蜒曲折。这些气球被称为原子轨道，它们有各种不同的形状——完美的圆形、双叶形、三叶草形。气球中的叶数表示电子围绕原子核旋转的程度。
对于单个原子来说这一切都很好，但是当原子聚集在一起形成固体时——比如一块金属——原子中最外层的电子可以连接臂并且看不到它们来自的原子核，形成许多超大的跨越整块金属的气球。它们停止围绕其原子核旋转并流过金属以携带电流，从而摆脱多叶气球的多样性。
现在，马里兰大学 (UMD) 量子材料中心 (QMC) 的研究人员与凝聚态理论中心 (CMTC) 和联合量子研究所 (JQI) 的理论家合作，提供了第一个实验证据，表明一种金属- 以及同类中的其他人 - 拥有电子，当它们在固体中四处移动时，它们设法保持更有趣的多叶结构。研究小组通过实验研究了这些气球的形状，发现并不是一个统一的表面，而是一个复杂的结构。这种不寻常的金属不仅从根本上很有趣，而且还可以证明对构建抗噪声的量子计算机很有用。
研究人员最近在《物理评论研究》杂志上发表了他们的发现。
“当我第一次发现这一点时，我非常兴奋，”QMC 前博士后研究员、该作品的主要作者 Hyunsoo Kim 说。“但它花了数年时间才得到充分研究，因为它不是一个传统的概念，而且在实验上收集高质量数据也非常具有挑战性。”
早在 2011 年，该团队就首次发现所讨论的金属——钇铂铋，或 YPtBi——可以成为超导体。一些材料在足够低的温度下变成超导体，失去对电流的所有抵抗力。YPtBi 不太可能成为超导候选者，因为它比大多数超导体具有更少的移动、载流电子。但是，令研究人员惊讶的是，它仍然具有超导性。此外，它暴露在磁场中时的行为方式证明它不是普通的超导体。
当时，研究人员怀疑电子轨道的形状是罪魁祸首，并得出结论认为，围绕自身旋转并在空间中描绘出更多圆圈的电子——即具有更高角动量的电子——正在形成前所未有的超导状态。
“我们有所谓的间接证据，表明超导性是由这些更高角动量的电子对组成的，”马里兰大学物理学教授、QMC 主任、本次合作的实验组组长约翰皮埃尔·帕廖内 (Johnpierre Paglione) 说。 . “但确实没有这些高角动量电子的直接证据。”
为了在新实验中收集更多直接证据，该团队提高了温度并研究了处于正常非超导状态的材料。然后，他们进行了一项经典测量，为漂浮在金属中的所有电子绘制出类似于集体原子轨道的东西。
凝视金属内部，人们会看到原子排列成整齐的重复网格，称为晶格。在晶体中，最外层电子的原子轨道相互变形。这允许电子远离其原始原子核并携带电流通过金属。在这种固体环境中，轨道气球的一个版本仍然存在，但更常见的是它们不是在太空中可视化的——那里有许多巨大而笨重的轨道——而是作为电子移动速度和方向的函数。晶体中运动最快的电子形成了自己的气球，这是原子轨道的集体模拟，称为费米面。
费米面的形状反映了下面晶体的结构，它通常与单个原子的轨道结构没有任何相似之处。但对于像 YPtBi 这样移动电子很少的材料，费米面不是很大。正因为如此，它保留了位于费米面中心的电子几乎不移动的一些特性。
“事实上，大自然找出了允许费米表面保留原子轨道特征的违反直觉的原子排列，这一事实相当酷和复杂，”JQI 联合主任兼研究员 Jay Deep Sau 说，他是马里兰大学物理学副教授和理论物理学家。新论文的合作者。
为了揭开这个很酷、违反直觉的费米表面，研究人员将 YPtBi 晶体置于磁场中，并在调谐磁场时测量流过晶体的电流。通过旋转磁场的方向，他们能够绘制出各个方向上最快电子的速度。他们发现，类似于更高角动量的原子轨道，费米面具有复杂的形状，沿特定方向具有波峰和波谷。晶体本身的高度对称性通常会导致更均匀的球状费米表面，因此发现更复杂的结构是一个惊喜。这表明集体电子可能表现出原子轨道的某些较高角动量性质。
事实上，CMTC 团队的理论计算表明，实验结果与高角动量模型相吻合，从而使该团队获得了对高角动量金属的首次实验观察。该团队警告说，即使是这个实验证据也可能仍然不完整。他们测量的结果不仅取决于费米面，还取决于电子的其他特性，例如电子的有效质量和速度分布。在他们的工作中，该团队系统地研究了这些其他量的角度依赖性，并证明它们极不可能导致观察到的波峰和波谷。
这种具有更高角动量的金属除了具有根本的新颖性外，还具有量子计算的潜在应用。有人预测，一些奇异的超导状态可能会产生不受任何一点噪声影响的特性。这些特性可能能够对量子位进行编码，从而有可能创建更强大的量子计算机。YPtBi 是否以正确的方式发生这种情况还有待观察，但新工作是朝着弄清楚这一点迈出的重要一步。
Paglione 说：“要准确理解你拥有的是哪种超导体，以及你是否可以利用它进行量子计算，这个难题有很多部分。” “要获得拼图的其余部分，还有一些实验性挑战。但我认为我们已经完成了大部分工作。”