三重子是一種棘手的小東西。在實驗中，它們極難被觀測到。即便如此，研究人員通常還是在宏觀材料上進行測試，測量結果是整個樣品的平均值。8月22日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌上的一篇論文的第一作者、美國科學院研究員羅伯特-德羅斯特（Robert Drost）說，這正是設計型量子材料的獨特優勢所在。這些設計量子材料可以讓研究人員創造出天然化合物中找不到的現象，最終實現奇異的量子激發。

藝術插圖描繪了鈷-酞菁分子的磁激發，其中糾纏的電子傳播成三重子。資料來源：Jose Lado/Aalto University

“這些材料非常複雜。它們能提供非常令人興奮的物理學，但最奇特的材料也很難找到和研究。”阿爾託大學原子尺度物理學研究小組組長彼得-利爾耶羅斯教授說： “因此，我們正在嘗試一種不同的方法，利用單個成分構建人工材料。

量子材料受微觀層面電子間相互作用的支配。這些電子關聯導致了不尋常的現象，如高溫超導或複雜磁態，而量子關聯又產生了新的電子態。

在兩個電子的情況下，存在兩種糾纏態，即單重態和三重態。向電子系統提供能量可以將其從單重態激發到三重態。在某些情況下，這種激發會以一種稱為三重態（triplon）的糾纏波在材料中傳播。傳統磁性材料中不存在這種激發，因此測量這種激發一直是量子材料領域的一項挑戰。

在這項新研究中，研究小組利用小型有機分子創造了一種具有不同尋常磁性能的人工量子材料。實驗中使用的每個鈷-酞菁分子都含有兩個前沿電子。

德羅斯特說：”利用非常簡單的分子構件，我們能夠以一種前所未有的方式設計和探測這種複雜的量子磁體，揭示其獨立部分所不具備的現象。雖然人們早已利用掃描隧道光譜法觀測到了孤立原子中的磁激發，但還從未利用傳播的三重子完成過這一觀測。我們利用這些分子把電子捆綁在一起，把它們裝進一個狹小的空間，迫使它們相互作用，從外部觀察這樣的分子，我們會看到兩個電子的聯合物理學。因為我們的基本構件現在包含兩個電子，而不是一個，所以我們看到的是一種非常不同的物理學。”

研究小組首先監測了單個鈷-酞菁分子的磁激發，隨後監測了分子鍊和分子島等較大結構的磁激發。研究人員希望通過從非常簡單的現象入手，逐步提高複雜性，從而了解量子材料中的突現行為。在目前的研究中，研究小組可以證明，其構建模塊的單三重激發可以作為被稱為三重子的奇異磁性準粒子穿越分子網絡。

“我們的研究表明，我們可以在人造材料中產生奇異的量子磁激發。”這項研究的共同作者之一、阿爾託大學相關量子材料研究小組負責人何塞-拉多（Jose Lado）助理教授說：”這一策略表明，我們可以合理地設計材料平台，為量子技術開闢新的可能性。”

研究小組計劃將他們的研究方法擴展到更複雜的構件，以設計量子材料中其他奇異的磁激發和有序化。從簡單成分出發進行合理設計，不僅有助於理解相關電子系統的複雜物理，還能為設計量子材料建立新的平台。