量子科學家在紫青銅中發現了一種現象，它可能是開發量子設備”完美開關”的關鍵，這種開關可以在絕緣體和超導體之間切換。這項由布里斯託大學領導並發表在《科學》（Science）雜誌上的研究發現，紫青銅中存在這兩種相反的電子狀態，紫青銅是一種獨特的一維金屬，由單個導電原子鏈組成。

量子科學家在紫銅這種一維金屬中發現了一種現象，它可以在絕緣態和超導態之間切換。這種由熱或光等最小刺激觸發的切換是由於”突發對稱性”。這項突破性發現是由對這種金屬的磁阻研究引發的，它可能導致量子設備中完美開關的開發，這是量子技術的一個潛在里程碑。

例如，在熱或光等微小刺激的作用下，材料中的微小變化可能會引發從導電率為零的絕緣狀態到導電率無限的超導體的瞬間轉變，反之亦然。這種被稱為”新興對稱性”的極化多功能性，有可能為未來的量子技術發展提供理想的開關。

圖中展示了新興對稱性，顯示了一個完全對稱的水滴從層層積雪中浮現出來。相較之下，雪中的冰晶形狀複雜，因此對稱性低於水滴。紫色表示發現這現象的紫色青銅材料。資料來源：布里斯託大學

主要作者、布里斯託大學物理學教授奈傑爾-赫西（Nigel Hussey）說：「這是一個非常令人興奮的發現，它可以為未來的量子設備提供一個完美的開關。這非凡之旅始於13 年前我的實驗室，當時兩名博士生徐曉峰和尼克-維克漢姆測量了紫色青銅的磁阻–磁場引起的電阻變化。”

在沒有磁場的情況下，紫青銅的電阻在很大程度上取決於引入電流的方向。它與溫度的關係也相當複雜。在室溫左右，電阻是金屬性的，但隨著溫度的降低，電阻會逆轉，這種材料似乎變成了絕緣體。然後，在最低溫度下，電阻再次驟降，因為它轉變成超導體了。儘管如此複雜，令人驚訝的是，磁阻卻被發現極為簡單。無論電流或磁場的方向如何，磁阻基本上都相同，而且從室溫一直到超導轉變溫度，磁阻都與溫度呈現完美的線性關係。

「由於對這一令人費解的行為沒有找到一致的解釋，這些數據在接下來的七年中一直處於休眠狀態，沒有發表。」赫西教授解釋說：”這樣的停頓在量子研究中並不常見，但原因並不在於缺乏統計數據。磁響應的這種簡單性無一例外地掩蓋了其複雜的起源，而事實證明，只有通過一次偶然的相遇才有可能解決這個問題。”

偶遇帶來突破

2017 年，赫西教授在拉德布德大學工作，看到了物理學家Piotr Chudzinski 博士關於紫銅主題的研討會廣告。當時，很少有研究人員用整場研討會來討論這種鮮為人知的材料，因此他的興趣被激發了出來。

赫西教授說：”在研討會上，Chudzinski 提出，電阻上翹可能是由傳導電子與被稱為’暗激子’的難以捉摸的複合粒子之間的干擾造成的。我們在研討會後進行了交談，並共同提出了一個實驗來驗證他的理論。我們隨後進行的測量基本上證實了這一理論。”

在這一成功的鼓舞下，赫西教授恢復了徐和Wakeham 的磁阻數據，並將其展示給Chudzinski 博士。數據的兩個核心特徵–與溫度的線性關係以及與電流和磁場方向的獨立性讓Chudzinski 感到非常好奇，同樣讓他感到好奇的是，根據材料的生長方式，材料本身既可以表現出絕緣行為，也可以表現出超導行為。

Chudzinski 博士想知道，電荷載子和他之前介紹的激子之間的相互作用是否會導致前者在溫度降低時趨向絕緣態和超導態之間的邊界，而不是完全轉變為絕緣體。在邊界處，系統成為絕緣體或超導體的機率基本上相同。

這種物理對稱性是一種不尋常的狀態，隨著溫度的降低，在金屬中形成這種對稱性，因此被稱為’突現對稱性’，這將是世界首創。

物理學家對對稱性破缺現象非常熟悉：電子系統在冷卻時對稱性降低。冰晶中水分子的複雜排列就是對稱性被打破的例子。但相反的情況即使不是絕無僅有，也是極為罕見的。回到水/冰的類比，就好像冰進一步冷卻後，冰晶的複雜性會再次”融化”，變成像水滴一樣對稱和光滑的東西。

現任貝爾法斯特女王大學研究員的丘津斯基博士說：『想像一下變魔術的場景：一個呆板、扭曲的圖形變成了一個美麗、完美對稱的球體。一言以蔽之，這就是新興對稱性的本質。這個圖形就是我們的材料–紫色青銅，而我們的魔術師就是大自然本身。”

為了進一步檢驗這個理論是否站得住腳，拉德布德大學的另一位博士生馬騰-伯本（Maarten Berben）對另外100 塊晶體進行了研究，其中有些是絕緣晶體，有些則是超導晶體。

赫西教授補充說：”經過馬騰的不懈努力，研究工作終於完成，不同晶體的基態差異如此之大的原因也逐漸顯現出來。展望未來，我們有可能利用這種’邊緣性’在量子電路中製造開關，透過微小的刺激引起開關電阻發生巨大的、數量級的變化”。