2026年7月23日——在铜、银、硅等大多数日常材料中，电子的行为相对可预测。然而，在量子材料中，电子可以以复杂的方式相互作用，从而产生具有卓越性能的集体电子态。理解这些电子态如何涌现——并最终如何控制它们——是量子材料研究的核心挑战之一。

现在，冲绳科学技术大学院大学（OIST）和广岛大学的研究人员发现，一个微小的磁场就能使层状量子材料 CeTe₃ 在相互竞争的电子态（呈现条纹状或棋盘格图案）之间切换。这项于7月23日发表在《自然·通讯》上的研究揭示了磁性如何能够重组量子材料的整个电子态。

由铈和碲原子构成的 CeTe₃ 具有一些与石墨烯相似的特性，它是一种具有高迁移率电子的二维层状材料。但与石墨烯不同的是，铈原子的电子保持局域化，而碲原子的迁移电子则会自然自组织成有序的图案。由于一种被称为自旋的量子特性，这些局域化电子的行为就像微小的磁铁，使得 CeTe₃ 的电子态能够通过磁场进行操控。然而，直到现在，还没有人直接观察到磁性如何影响这些电子图案的演变。

“CeTe₃ 提供了一个难得的机会来观察迁移电子和局域自旋如何协同工作，”共同第一作者、广岛大学助理教授、曾任 OIST（由 Okada 教授领导）量子材料科学单元博士后研究员的藤泽唯太（Yuita Fujisawa）表示。“我们想要直接可视化这种协作是如何产生集体电子态的。”

从条纹到棋盘格

首先，研究人员使用扫描隧道显微镜（STM）以原子尺度绘制了 CeTe₃ 内部电子的排列方式。当冷却到接近绝对零度时，研究人员观察到了一个条纹状的电子图案。当他们施加磁场后，这个条纹状的电子图案转变成了棋盘格图案。

“我立刻跑到 Okada 教授的办公室说：‘快看这个！’”藤泽回忆道。“我们非常惊讶，因为一种材料能够同时拥有多个相互竞争的电子图案，并且能被如此微小的磁场如此戏剧性地切换，这是极为罕见的。”

那么，为什么这种材料能如此轻易地呈现出如此不同的电子图案呢？答案在于物理学家称之为“阻挫”的现象。在 CeTe₃ 中，电子可以自组织成几种不同的低能图案，但没有一种排列方式是绝对优先的。

“想象一下把一个球放在一个有着几个几乎相同山谷的地形上，”藤泽解释说。“微小的倾斜就足以让球滚入另一个山谷。在 CeTe₃ 中，磁场提供了这种推动力，改变了相互竞争的电子态之间的平衡，从而使材料从条纹图案切换到棋盘格图案。”

连接磁性与电子结构

在发现了相互竞争的电子图案之后，研究人员接下来试图理解支撑这些图案的磁性结构类型。第二个研究团队——包括来自 OIST、广岛大学、东京大学、琉球大学和高能加速器研究机构（KEK）的科学家——利用中子散射技术（一种能够直接揭示磁矩排列的技术）研究了 CeTe₃ 的磁性结构。

这篇补充性研究于同一天发表在《物理评论 B》上，表明 CeTe₃ 的磁序在接近绝对零度的温度下变得异常复杂。

“CeTe₃ 是反铁磁性的，这通常意味着相邻的自旋指向相反方向。但在这个案例中，我们发现磁矩形成了一种更复杂的重复图案，”东京大学助理教授、曾为 OIST 博士后研究员的隈琉太郎（Ryutaro Okuma）表示。

值得注意的是，这种磁性结构的周期性——图案重复的长度——与 STM 观察到的条纹电子态成比例，这为 CeTe₃ 的磁性和电子结构紧密相连提供了强有力的证据。

“我们的工作表明，电子阻挫是可以被利用的，”藤泽说。“通过将其与磁性耦合，我们可以利用微小的磁场来操控集体电子态。”

总的来说，他们的发现表明，电子阻挫产生了多种相互竞争的电子态，而磁性则提供了在它们之间进行选择的实用方法。

“利用这种相互作用可以为控制这两种成分共存材料中的集体电子态提供一种新策略，”藤泽总结道。“这种方法可能为未来的量子与自旋电子技术开辟新的机遇，也可能激发在新型量子材料中控制竞争电子相的新方法。”