“无限质量”电子所在的二维材料首次实现……量子技术迎来新可能[读懂科学]（综合）
首尔大学联合研究团队研发出像石墨烯一样薄的“Kagomene”……直接观测到平带
电子密度比以往高出220倍以上……280K下实现量子现象仍属理论预测
一种特殊的二维材料已成功制备，其中电子几乎无法移动，表现得仿佛质量无穷大。韩国研究团队在厚度仅为一个原子层的材料中，证实了理论研究已有40多年的笼目晶格电子特性，并成功通过外部电压对其进行调控。这项成果展现了在高于以往的温度下实现新型量子现象的可能性。
首尔大学联合研究团队全球首次实现的二维材料“Kagomene”，以及示意其呈现的“无限质量电子”特性的图示。这并非指电子的实际质量变为无限大，而是表示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 image首尔大学21日宣布，由物理天文学系教授 Kang Mingu、韩国科学技术院物理系教授 Jo Gilyoung、浦项科技大学物理系教授 Park Jaehun等参与的联合研究团队，成功制备出一种新型二维笼目晶格材料“Kagomene”。研究团队直接观测到，即使在单原子层中，电子能量也几乎保持不变的“平带”。研究结果于15日发表在国际学术期刊《Nature Physics》上。
Kang教授在接受阿视亚经济电话采访时表示：“迄今为止研究过的笼目材料大多是三维材料。像石墨烯那样将其制成原子层厚度，实现真正的二维笼目晶格，是本次研究的重要成果。”
笼目晶格是由三角形和六边形重复排列形成的网状原子结构。在这种结构中，电子移动的多条路径可能相互干涉，从而抑制电子运动。尤其是，即使电子的动量发生变化，能量也几乎不变的平带可能形成。
在平带中，电子的有效质量会变得非常大。“质量无穷大的电子”这一说法也由此而来。这并不意味着电子本身的质量真的增大到无穷大。电子运动受到抑制时，电子之间的相互作用会相对增强，从而更有可能出现新的量子现象。
突破三维材料的局限……甚至可通过电压调控电子状态
笼目晶格材料并非首次被发现。此前，研究人员已在多种金属化合物和人工晶格中开展相关研究。然而，受原子层间结合以及复杂电子结构等因素影响，人们一直难以实现并观测理想的二维笼目特性。
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。与现有笼目材料不同，该材料的原子层间结合较弱，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研究团队通过寻找一类原子层之间存在较弱范德华力的材料，解决了这一问题。团队将其剥离成约0.7纳米（10亿分之一米）厚的单层，并利用纳米角分辨光电子能谱分析其电子结构。结果证实，即使在单层中，笼目晶格特有的平带仍能保持。
研究团队还成功利用外部电压调控电子状态。随着电压变化，材料从导电性较差的绝缘态转变为金属态；继续改变电压后，绝缘态再次出现。研究团队提出，新观测到的绝缘态可能与电子间相互作用有关，但其确切成因仍需进一步研究。
这项研究的意义不仅在于制备出一种新材料，还在于为实际观测和调控理论预测的电子态奠定了基础。
电子密度高出220倍……实现高温量子现象仍是后续课题
Kagomene平带中的电子密度，比以往基于莫尔超晶格的材料高出220倍以上。莫尔超晶格是通过以微小角度扭转或叠加原子层来调控电子结构的方式。相比之下，Kagomene的平带形成于材料自身的原子排列中，因此电子可以分布得更为密集。
基于此，研究团队从理论上分析了出现一种特殊量子态——“分数量子反常霍尔态”的可能性。计算得出的能隙约为14至29毫电子伏特，高于论文中作为比较对象的既有莫尔材料约1至5毫电子伏特的能隙。这一结果表明，相关量子态有望在较高温度下保持。
对于新闻稿中提出的280开尔文水平的预期，Kang教授表示：“毫电子伏特是能量单位，换算成温度尺度后大约相当于140至290开尔文。因此我们才提出最高有望达到280开尔文左右。”
280开尔文约为零上6.9摄氏度。研究提出了在远高于以往研究量子现象所需的极低温度下实现相关现象的可能性，但这一温度仍低于通常的室温。此外，将能隙换算成温度所得的数值，并不意味着量子态实际运行的温度。
研究团队关注的现象之一是“任意子”。任意子是电子集体形成的一种特殊准粒子，有望应用于对外部扰动相对不敏感的拓扑量子计算。
Kang教授表示：“利用任意子的量子计算具有抗错误能力强这一优势，但要找到会出现任意子的材料非常困难。”不过，基于任意子的量子计算并非完全没有错误，实际实现和调控仍有许多课题有待解决。
本次研究通过实验确认的是单层笼目晶格、平带以及电子状态随电压变化的现象。任意子或相关量子态是否会在高温下实际出现，目前尚未得到验证。
Kang教授表示：“Kagomene蕴藏着无限可能。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关键量子现象和量子技术的研究。”
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