发表在《自然·通讯》上的一项研究揭示，五碲化锆（ZrTe5）中的电子基本上是量子世界里的叛逆青少年。当温度接近绝对零度，磁场强大到让你的冰箱磁贴都自愧不如时，这些粒子表现出的量子振荡违背了传统预期。

这项研究由巴西圣保罗大学（USP）、洛斯阿拉莫斯国家实验室、华盛顿大学及其他美国机构的研究人员领导，结合了在高达60特斯拉的磁场、约0.7开尔文（-272.45°C）的温度下进行的电输运实验，以及详细的理论计算。因为，你知道，为什么不顺便挑战一下物理学的极限呢？

“这项工作拓展了我们对奇异物质相中电子输运的理解，并表明拓扑绝缘体不仅支持电荷的输运，还支持另一个基本自由度：电子自旋。”圣保罗大学物理研究所教授、极端条件下量子物质实验室联合创始人兼主任胡里奥·拉雷亚·希门尼斯说。

拉雷亚担任了该研究第一作者考埃·考夫曼·里贝罗的博士导师，里贝罗在洛斯阿拉莫斯国家高磁场实验室实习期间完成了大部分实验工作，并得到了FAPESP海外研究实习奖学金的支持，由约翰娜·帕姆斯特罗姆和肖恩·托马斯共同指导。

拓扑绝缘体是材料科学中的怪胎：它们的内部是电绝缘体，但表面导电。这是由于它们的电子能带拓扑结构受到晶体对称性的保护。ZrTe5尤其特别，因为它位于不同拓扑相之间的边界附近，这意味着温度、机械变形、化学成分或磁场的微小变化都能剧烈改变其电子行为。这相当于量子界的情绪化艺术家。

当电子在磁场中运动时，它们的能量被限制在离散的值上，称为朗道能级，以列夫·朗道（1908-1968）的名字命名。在纯金属中，这些能级可以反复穿过费米能级，产生电阻振荡，称为舒布尼科夫-德哈斯振荡，通常遵循1/B（B为磁场）的可预测模式。但ZrTe5并没有收到这份备忘录。

研究人员发现，其磁阻振荡在1/B上并非传统周期性的，并且在量子极限之外持续存在，而在量子极限下，电子应该被限制在最低朗道能级，振荡应该消失。相反，振荡持续存在，就像一种坏习惯。

“在拓扑相变附近的材料中，电子可能不再表现得像金属中的普通粒子，”考夫曼解释说。“它们的电子激发开始表现得像狄拉克费米子——相对论性粒子——这样的准粒子。在我们的工作中，我们表明这些准粒子的自旋起着核心作用：当我们施加强磁场时，自旋与磁场之间的相互作用深刻改变了电子的能级。结果，通常会远离系统相关能量的朗道能级可以‘返回’并再次穿过它。这种不寻常的行为就是我们所说的重入朗道能级。”

为了解释这一点，研究人员提出了一种称为朗道能级“回弯”的过程，其中一些能级向费米能级弯曲并再次穿过它，在它们本不应存在的区域产生额外的振荡。这是因为回旋能量（来自轨道运动）和塞曼效应（自旋-磁场耦合）之间的相互作用，在像ZrTe5这样具有强自旋轨道相互作用的材料中，这两者是纠缠在一起的。

该研究的目标之一是确定异常振荡是否是由于多体效应（集体行为）造成的，还是由于单粒子效应。结果表明，重入朗道能级可以解释观察到的现象，而无需诉诸多体效应。然而，研究人员指出，他们的模型简化了，没有考虑电子-电子相互作用，这可能在真实系统中发挥作用。

“我们的研究为理解拓扑材料中量子输运开辟了新途径，并可能为自旋电子学等领域的应用提供信息，在自旋电子学中，电子的自旋被用来存储和处理信息，”拉雷亚说。

所以，下次当你觉得你的电子设备行为不端时，请记住：即使是量子粒子也会经历叛逆阶段。