2026年2月25日——当你抛出一枚硬币时，它会被置于更高能量状态，直到重新落下。此时它可能以两种状态之一收场：正面或反面。无论硬币之前处于何种状态，抛掷后两种结果出现的概率均等。

维也纳理工大学团队分析了一个同样具有两种等效基态的量子系统。通过离子轰击注入能量后，该系统状态会发生改变。但令人惊讶的是，该系统表现与抛硬币截然不同：每次都会发生切换。离子撞击后，系统总能可靠地转入相反状态。为开展实验，该团队将维也纳理工大学的离子束设备运至汉堡德国电子同步加速器研究所（DESY），研究所用的晶体由基尔大学（CAU）提供，该校也参与了DESY的实验工作。

两种可能的表面构型

“我们研究的是一种非常特殊的材料——二硫化钽量子材料1T-TaS2，”维也纳理工大学应用物理研究所的理查德·威廉解释道，“该材料中的粒子行为与我们日常经验中的物体截然不同。电子之间存在强关联性，这意味着它们不能被独立考量。当我们用离子轰击这种材料时，这些离子不仅会与偶然撞击的单个电子相互作用，实际上会同时与整个电子集体发生相互作用。”

二硫化钽的独特之处还在于其电子能以两种不同方式排列。就像平放在桌上的硬币可能显示正面或反面，这两种构型具有相同能量。“电子在材料表面形成六角星形图案，”新研究的第一作者安娜·尼格斯解释道，“这种电子图案可以沿两个不同方向旋转——类似于可在两个位置间切换的旋转开关。”

多年来，维也纳理工大学研究团队一直在研究高能离子轰击下材料的行为。为观察二硫化钽在此条件下的变化，该团队将离子束装置运至汉堡DESY——这个大型科研设施能产生极强辐射，可对材料电子结构进行精细研究。

单次离子撞击打破平衡

“当高速高电荷离子撞击二硫化钽表面时，电子系统会被驱离平衡态，”威廉指出，“部分电子被击出，另一些跃迁到更高能态，甚至材料深处的电子也会受到强烈影响。”

经过这段剧烈变动期后，系统会弛豫回两种可能的低能基态之一。“人们可能预期两种状态会等概率出现——就像抛硬币的正反面，”尼格斯说，“但出人意料的是，实际情况并非如此。离子轰击会切换材料状态。之后，二硫化钽表面总会处于与轰击前相反的状态。”

这种非凡行为源于电子间复杂的量子关联性。在离子撞击后的湍流中间态阶段，材料表面局域区域开始形成新有序态。“然而离子撞击从根本上改变了表面电子与材料内部电子间的耦合，”威廉解释道，“这使得与原始构型相反的电子排布在能量上更匹配材料内部电子。因此量子效应确保结果不会如直观预期那样完全随机，而是产生可预测的切换过程。”