在 6 月 19 日发表在《自然通讯》上的一项研究中，由莱斯大学的司其妙领导的科学家团队预测在费米能级存在平坦电子带，这一发现可能实现新型量子计算和电子设备。

量子材料受量子力学规则支配，其中电子占据独特的能态。这些能态形成一个阶梯，最高阶梯称为费米能。

带电的电子会相互排斥并以相关方式移动。Si 的团队发现，电子相互作用可以在费米能级上创建新的平带，从而增强其重要性。

“大多数平带都远离费米能量，这限制了它们对材料特性的影响，”莱斯大学物理学和天文学教授 Harry C. 和 Olga K. Wiess 说道。

通常情况下，粒子的能量会随着动量而变化。但在量子力学中，电子可以表现出量子干涉，即使动量发生变化，电子的能量仍保持平坦。这被称为平带。

Si 表示：“平坦的电子带可以增强电子相互作用，有可能产生新的量子相和不寻常的低能行为。”

Si 表示，这些谱带在具有特定晶格的过渡金属离子(称为 d 电子材料)中尤其受到追捧，它们通常会表现出独特的性质。

该团队的研究结果提出了设计这些材料的新方法，这可能会激发这些材料在量子比特、量子位和自旋电子学中的新应用。他们的研究表明，电子相互作用可以将静止和移动的电子状态联系起来。

研究人员利用理论模型证明，这些相互作用可以产生一种新型的近藤效应，即不动粒子通过与费米能级的移动电子相互作用而获得移动性。近藤效应描述了由于磁性杂质导致金属中传导电子的散射，从而导致电阻率随温度发生特征性变化。

莱斯大学博士生陈雷表示：“量子干涉可以实现近藤效应，让我们取得重大进展。”

陈说，平带的一个关键属性是它们的拓扑结构。“固定在费米能量上的平带提供了一种实现物质新量子态的方法，”他说。

研究小组的研究表明，这包括任意子和韦尔费米子，即无质量的准粒子和带电荷的费米子。研究人员发现，任意子是量子比特的有前途的载体，而承载韦尔费米子的材料可能在基于自旋的电子学中得到应用。

该研究还强调了这些材料对外部信号反应灵敏、能够进行高级量子控制的潜力。结果表明，平带可以在相对较低的温度下形成强关联的拓扑半金属，并有可能在高温甚至室温下运行。

Si 表示：“我们的工作为利用强相互作用环境中的平带设计和控制在低温范围之外运行的新型量子材料提供了理论基础。”

这项研究的贡献者包括莱斯大学物理学和天文学博士后研究员Fang Xie和Shouvik Sur;莱斯大学校友、多诺斯蒂亚国际物理中心博士后研究员 Haoyu Hu;维也纳科技大学物理学家 Silke Paschen;以及石溪大学和 Flatiron 研究所理论物理学家 Jennifer Cano。