來自維也納大學的一個研究小組與美國的研究機構一起發現了一種令人驚訝的量子臨界形式，這可能會帶來一種新的材料設計理念。在日常生活中，相變通常與溫度變化有關，例如，當一個冰塊變熱並融化成水等等。

但也有不同種類的相變，取決於其他參數，如磁場。為了了解材料的量子特性，當相變直接發生在溫度的絕對零點時，就顯得特別有趣。這些轉變被稱為”量子相變”或”量子臨界點”。一個奧地利-美國研究小組現在已經在一種新材料中發現了這樣一個量子臨界點，而且是以一種異常原始的形式。這種材料的特性現在正在被進一步研究。人們懷疑這種材料可能是一種所謂的Weyl-Kondo半金屬，由於特殊的量子態（或者所謂的拓撲態），它被認為在量子技術方面具有巨大的潛力。如果這被證明是真的，那麼就有可能有針對性地開發拓撲量子材料。

維也納大學、約翰霍普金斯大學、美國國家標準與技術研究所（NIST）和萊斯大學合作論文已經發表在《科學進展》雜誌上。通常，量子臨界行為是在金屬或絕緣體中研究的。但現在研究的是一種半金屬，這種材料是一種鈰、釕和錫的化合物，其特性介於金屬和半導體之間。通常情況下，量子臨界只能在非常特殊的環境條件下產生，需要一定的壓力或電磁場。然而，令人驚訝的是，這種半金屬在完全沒有任何外部影響的情況下變成了量子臨界。約翰霍普金斯大學科林-布羅霍姆教授團隊的博士生韋斯利-福爾曼說，他用中子散射測量對這一結果做出了重要貢獻。

這一令人驚訝的結果可能與電子在這種材料中行為有一些特殊特點有關。它是一個高度相關的電子系統。這意味著電子之間有很強的相互作用，你不能通過單獨觀察電子來解釋它們的行為，這種電子互動導致了所謂的近藤效應。在這裡，材料中的一個量子自旋被它周圍的電子所屏蔽，因此該自旋不再對材料的其他部分有任何影響。如果只有相對較少的自由電子，如半金屬中的情況，那麼近藤效應是不穩定的。這可能是該材料量子臨界行為的原因所在，即係統在有近藤效應的狀態和無近藤效應的狀態之間波動。這一結果之所以具有如此重要性，主要是因為它被懷疑與”Weyl費米子”現象密切相關。在固體中，Weyl費米子可以以準粒子的形式出現，即作為集體激發，如池塘中的波。

根據理論預測，這種Weyl費米子應該存在於這種材料中。然而，實驗證明還沒有找到。科學家們懷疑他們觀察到的量子臨界性有利於這種Weyl費米子的出現。量子臨界波動可能對Weyl費米子有穩定作用，其方式類似於高溫超導體中的量子臨界波動將超導庫珀對固定在一起。這是一個非常基本的問題，是全世界很多研究的主題，這群科學家在這裡發現了其中一個新線索。在他們看來，某些量子效應，即量子臨界波動、Kondo效應和Weyl費米子，在新發現的材料中緊密地交織在一起，並一起產生了奇異的Weyl-Kondo狀態。這些是具有極大穩定性的”拓撲”狀態，與其他量子狀態不同，不能輕易被外部破壞，使得它們可以用在量子計算機當中。

為了驗證這一切，科學家們將在不同的外部條件下進行進一步的測量。研究小組預計，在其他材料中也應該發現類似的各種量子效應相互作用，這可能會導致建立一個設計概念，用它來專門改進、定制此類材料，並用於具體應用。