2026年3月24日——由美国能源部阿贡国家实验室领导的科学家团队，在一种新型硫化镍材料中发现了一种罕见的可切换量子特性。这一发现有望应用于高速晶体管、自适应传感器等需要实时调控材料电子结构的设备中。

这种名为K_xNi₄S₂（0 ≤ x ≤ 1）的化合物具有镍硫层与钾层交替堆叠的结构。化学式中的“(0 ≤ x ≤ 1)”表示材料中的钾含量可在零至一个完整钾原子之间变化。该材料最初在2021年一篇论文中被详细描述，是超导体研发过程中的意外产物。当研究人员分析其层状特性时，偶然发现了一个显著特征：施加电流可驱离钾层，使层状结构坍缩并改变材料构型。这种可逆过程使得单一材料能呈现两种量子特性：狄拉克锥和扁平能带系统。

“我们可以精确调控材料中钾的脱嵌量，从完全饱和到完全空缺，这意味着能在同种材料中实现量子态切换。”西北大学教授、阿贡国家实验室联合聘任材料科学家Mercouri Kanatzidis解释道，“目前尚未发现其他具有这种特性的材料——即便存在也鲜为人知。”该研究由他主导。

参与该工作的核心成员包括阿贡实验室首席材料科学家Duck Young Chung、伊利诺伊大学芝加哥分校联合聘任研究员Hyowon Park，以及博士后赵恒迪和周秀全。周秀全现任乔治城大学助理教授。

狄拉克锥和扁平能带能像电子交通管制器般调控带负电的亚原子粒子。狄拉克锥中的电子表现为轻质高速态，而在扁平能带中则呈现重质低速态。研究团队在阿贡纳米材料中心（CNM）制备样品后，利用实验室计算资源中心的Bebop高性能计算集群模拟电子结构，并通过先进光子源（APS）的观测验证了K_xNi₄S₂的双态特性。CNM与APS均为美国能源部科学办公室下属实验设施。

这并非Kanatzidis团队在超导材料研究中的首个意外发现。他们曾开发出一种本用于超导的化合物，虽未实现超导却成为优异的电池材料。此外，Kanatzidis因在下一代光伏材料卤化物钙钛矿领域的研究，刚获得美国化学会2026年威廉·H·尼科尔斯奖章。

该基础研究的终极目标是发现新型量子材料和超导体。每个研究阶段都带来重要突破，例如开发出多元晶体材料的合成新方法——这正是制备K_xNi₄S₂的关键技术。

“材料中高浓度的镍迫使镍原子间产生强相互作用，我们认为这正是其特殊性质的起源。”Kanatzidis表示，“现在我们已经理解这类化合物的形成机制，下一步将推广合成方法以寻找更多类似材料。”