在一项新的研究中描述了一种被称为Ta2NiSe5(二维硒化镍钽)的复杂量子材料，这种材料具有先前意想不到的特性。利用宾夕法尼亚大学开发的一项新技术，这些发现对开发未来的量子设备和应用具有重要意义。这项发表在《科学进展》期刊上的研究由研究生Harshvardhan Jog进行，并由宾夕法尼亚大学的Ritesh Agarwal教授与Eugene Mele教授以及印度科学教育与研究所的Luminita Harnagea合作领导。

尽管近年来量子信息科学(QIS)领域取得了不错的进展，但量子计算机的广泛使用仍然有限。一个挑战在于目前只能使用少量的量子比特(在量子计算机中执行计算的基本单元)，因为当前设计的平台不允许多个量子比特相互“对话”。为了应对这一挑战，所用材料需要在量子纠缠方面保持高效。

在这项研究中，Jog探索了Ta2NiSe5这一材料，这是一种具有强电子相关性的材料系统，这使它对量子器件具有吸引力。强电子相关性意味着材料的原子结构与其电子特性以及电子间发生的强相互作用有关。

为了研究Ta2NiSe5材料，Jog使用了Agarwal教授实验室开发的一种被称为圆形光电效应的改进技术，其中的光被设计为携带电场并能够探测不同的材料特性。在过去几年里，这项技术不断被迭代开发，它以传统物理和材料科学实验无法实现的方式提供了对硅和外尔半金属等材料的见解。

但Agarwal教授说，这项研究的挑战在于，这种方法只能应用于没有反演对称性的材料，而Ta2NiSe5确实具有反演对称性。Agarwal说：“Jog想看看这种技术是否可以用于研究具有反演对称性的材料。从传统意义上讲，这些材料不应该会产生这种反应。”

在与Harnagea联系并获得高质量的Ta2NiSe5样品后，Jog和Agarwal教授使用了改进版的圆形光电效应，并惊讶地发现它正在产生信号。在进行了额外的研究以确保这不是错误或实验伪影之后，他们与Mele教授合作开发了一种新理论，可以帮助解释这些意想不到的结果。

Mele说，发展理论的挑战在于，关于Ta2NiSe5对称性的假设与实验结果不一致。然后，在发现之前的一篇理论论文表明对称性比假设的要低之后，他们知道了如何对这些数据进行解释。Mele说：“我们意识到，如果在低温阶段系统会自发切断(shear)，这就可以做到，这表明这种材料正在向另一种结构变形。”

通过结合他们在实验和理论方面的专业知识，研究人员发现这种材料已经破坏了对称性，这一发现对在未来设备中使用这种材料和其他材料具有重要意义。这是因为对称性在物质相的分类以及最终理解它们的下游特性方面起着基本作用。

这些结果还为寻找和描述其他类型材料的类似特性提供了一个平台。Agarwal教授说:“现在，我们有一种工具可以探测晶体材料中非常微妙的对称性破坏。要了解任何复杂的材料，你必须考虑对称性，因为它具有巨大的影响，。”

虽然在将Ta2NiSe5纳入量子器件之前还有一段漫长的旅程，但研究人员已经在进一步评估这一现象方面取得了进展。在实验室中，Jog和Agarwal有兴趣研究Ta2NiSe5材料内的额外能级，寻找潜在的拓扑特性，并利用圆形光电法研究其他相关系统，看看它们是否也可能具有相似的特性。在理论方面，Mele正在研究这种现象在其他材料系统中的普遍程度，并正在为未来的实验者研究其他材料提出他的建议。

Mele说：“我们在这里看到的是一种不应该发生但在这种情况下会发生的反应。扩大你所拥有的结构空间，在那里你可以打开这些名义上被禁止的效应，这非常重要。这不是在光谱学中第一次发生，但无论何时发生，这都是一件有趣的事情。”

除了向研究界展示一种用于研究复杂晶体的新工具外，这项工作还提供了对这类材料的重要见解，这些材料可以提供两个关键特性：纠缠和宏观相干。这对未来的量子应用至关重要，这些量子应用包括医疗诊断、低功耗电子技术和传感器等。

Agarwal最后说道：“长期的想法——也是凝聚态物理学的最大目标之一——是能够理解这些高度纠缠的物质状态，因为这些材料本身可以进行很多复杂的模拟。如果我们能够理解这些类型的系统，它们可能会成为能进行大规模量子模拟的自然平台。”（编译:Qtech）