历经40余年研究，笼目单层得以实现……确认特殊电子态
电子密度较以往高出220倍以上……有望实现高温量子现象
与石墨烯中仿佛没有质量般运动的电子截然相反，一种电子表现得仿佛质量无限大的新型二维材料问世。这是在真实材料中确认了自20世纪80年代起便受到理论研究的特殊电子态。尽管这为在更高温度下实现以往只能在极低温环境中出现的某些量子现象打开了可能性，但要开发室温量子计算机，仍需进一步验证。
首尔大学21日宣布，由物理天文学部教授 Kang Mingyu 牵头的联合研究团队全球首次实现了具有“质量无限大的电子”特性的二维材料“Kagomene”。韩国科学技术院教授 Cho Gilyoung 团队、浦项科技大学教授 Park Jaehun 团队等国内外研究人员也参与了此次研究。
首尔大学联合研究团队首次在全球实现的二维材料“Kagomene”，以及表现该材料中“质量无限大的电子”特性的示意图。电子的实际质量并非真的增至无限大，而是指电子在特定能量状态下难以移动的现象。研究团队供图。
View original imageKagomene的关键在于电子的运动方式。通常，电子会在材料内部随能量变化而移动；而在Kagomene中，电子能量几乎不随动量变化，形成“平带”。在这种状态下，电子难以移动，表现得仿佛质量无限大。但电子的实际质量并未增至无限大。
这一特性会增强电子之间的相互作用，创造出可能出现超导、特殊磁性等新型量子现象的环境。不过，传统笼目晶格材料受原子层间结合或复杂电子结构的影响，难以实现理想的二维状态。
研究团队在原子层间结合较弱的范德华材料体系中发现了一种新的笼目晶格结构。团队将其剥离至单原子层厚度，再利用第四代同步辐射光源进行纳米角分辨光电子能谱测量，分析电子的能量结构。结果直接确认，即使在单层结构中，平带也依然存在。
尤其是与以往基于莫尔超晶格的材料相比，该材料的平带可容纳的电子密度高出220倍以上。这表明电子能够密集分布在狭小空间中，因电子间相互作用而产生的量子现象有望在更高能量和温度下出现。
有望实现超越极低温环境的高温量子现象……实际实现仍待后续研究
研究团队预计，利用这种材料，有望在比以往更高的温度下实现特殊量子态。典型例子之一是“任意子”。任意子是二维量子系统中的准粒子，其交换特性不同于普通电子或光子，目前被视为实现抗错误量子计算的候选对象之一。
研究团队通过理论计算，分析了笼目材料体系中出现分数量子反常霍尔态的可能性。计算结果显示，与传统莫尔材料相比，这种量子态的能隙有所增大，因此有望在更高温度下保持稳定。
首尔大学联合研究团队实现的二维笼目晶格材料的结构与特性。与传统笼目材料不同，该材料原子层之间的结合较弱，可分离为单层，并呈现出一种特殊的电子态——“平带”。图片由《Nature Physics》提供。
View original image首尔大学表示，以往在2.5 K（约零下270.7℃）以下观测到的相关量子现象，在Kagomene中有望在280 K（约零上6.9℃）以上的温度下实现。不过，这只是理论上的展望，研究团队尚未在这一温度下实际实现任意子或量子计算。
此次研究的第一作者、首尔大学硕博连读生 Bong Hyeonggeun 表示：“本研究团队在近期开发的、基于第四代同步辐射光源的纳米角分辨光电子能谱技术方面拥有韩国独有的专业优势，并借此直接测量到了质量无限大的电子。”
首尔大学教授 Kang Mingyu 表示：“Kagomene的潜力无穷无尽。今后，我们计划以Kagomene为基础制造下一代量子器件，并开拓在室温下实现核心量子现象和量子技术的研究。”
这项研究成果于15日发表在国际学术期刊《自然·物理》上。
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