摘要：莱斯大学的物理学家在量子材料研究领域取得了重要突破。他们首次在实验中证实了kagome超导体中存在"活跃平带"——这种奇特的电子态此前仅存在于理论模型中。这一发现不仅验证了长期以来的科学预测，更为设计新型量子材料和电子器件开辟了全新路径。

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250829052208.htm

莱斯大学的物理学家在量子材料研究领域取得了重要突破。他们首次在实验中证实了kagome超导体中存在"活跃平带"——这种奇特的电子态此前仅存在于理论模型中。这一发现不仅验证了长期以来的科学预测，更为设计新型量子材料和电子器件开辟了全新路径。

该研究成果于8月14日发表在《自然通讯》期刊上，研究对象是一种名为CsCr₃Sb₅的铬基kagome金属，这种材料在压力作用下能够转变为超导态。研究团队通过先进的同步加速器技术和理论建模，成功观察到了这些平带的直接证据。

从理论走向现实的量子现象

Kagome金属因其独特的二维晶格结构而得名，这种结构由共角三角形排列组成，类似日本传统编织工艺"kagome"的图案。在这种几何排列中，电子会形成特殊的驻波模式，理论上能够产生紧凑的分子轨道，即所谓的"平带"。

卡戈梅超导体中的活性平带已得到实验验证，这为未来电子器件开发强大的新型量子材料打开了大门。图片来源：AI/ScienceDaily.com

"我们的研究结果证实了一个令人惊讶的理论预测，并为通过化学和结构控制来设计奇异超导性建立了一条途径，"莱斯大学物理与天文系教授戴鹏程表示。作为该研究的领导者之一，戴鹏程强调了这一发现的重要意义。

在大多数已知材料中，这些平带距离费米能级太远，因此不会对材料性质产生显著影响。然而，CsCr₃Sb₅展现出了截然不同的特性——其平带不仅位于合适的能级位置，更重要的是，它们积极参与并直接影响材料的超导性和磁性行为。

物理学和天文学副教授易明指出："通过识别活跃的平带，我们证明了晶格几何和新兴量子态之间的直接联系。"这种联系为科学家们提供了一个全新的工具，可以通过控制材料的几何结构来调控其电子性质。

先进技术揭示微观世界

为了观察这些难以捉摸的量子现象，研究团队采用了两种互补的先进同步加速器技术。第一种是角分辨光电子能谱（ARPES），通过分析同步加速器光激发出的电子，研究人员能够绘制出材料的电子能带结构，从而识别出与致密分子轨道相关的独特特征。

第二种技术是共振非弹性X射线散射（RIXS），这种方法能够测量与电子模式相关的磁激发。两种技术的结合使用，为研究团队提供了一个完整而一致的图像。

"我们合作团队的ARPES和RIXS结果给出了一致的图像，表明这里的平坦带不是被动的旁观者，而是塑造磁场和电子景观的积极参与者，"物理学和天文学教授司其淼说道，"这是令人惊奇的，因为到目前为止，我们只能在抽象的理论模型中看到这样的特征。"

实验的成功还得益于材料制备技术的重大进步。研究团队开发了一种精细的合成方法，能够制备出比以前大100倍的高纯度CsCr₃Sb₅晶体。莱斯大学研究生、共同第一作者王泽浩表示，获得如此精确的数据需要异常大且纯度高的样品，这种技术突破为后续研究奠定了重要基础。

跨学科合作的典范

这项研究的成功体现了现代科学研究中跨学科合作的重要性。研究团队不仅包括莱斯大学的多个研究组，还与台湾国家同步辐射研究中心、北京师范大学、华盛顿大学、劳伦斯伯克利国家实验室等多个国际机构合作。

领导ARPES研究的莱斯大学研究生、共同第一作者郭玉成表示："这项工作得益于材料设计、合成、电子和磁光谱表征和理论方面的合作。"这种多学科融合的研究模式已成为解决复杂科学问题的关键途径。

在理论分析方面，莱斯学院青年研究员兼共同第一作者谢芳领导了电子晶格模型的定制化研究。通过分析这些模型，研究团队获得了强关联效应的理论支持，不仅复制了观察到的实验特征，还为结果的解释提供了重要指导。

量子技术的未来前景

这一发现的意义远远超出了基础科学研究的范畴。活跃平带的成功验证为设计新型量子材料开辟了全新路径，包括超导体、拓扑绝缘体和自旋电子器件。这些材料有望成为未来电子和计算技术的核心组成部分。

超导体由于其零电阻特性，在能源传输、磁悬浮交通和量子计算等领域具有巨大应用潜力。而拓扑绝缘体则因其表面导电但内部绝缘的独特性质，被视为下一代电子器件的重要材料。自旋电子器件则利用电子的自旋属性而非仅仅是电荷，有望实现更高效的信息存储和处理。

kagome晶格的复杂几何结构现在被证实可以作为控制固体中电子行为的设计工具。这意味着科学家们可以通过精心设计材料的晶体结构来实现特定的电子性质，从而开发出具有预定功能的量子材料。

目前，量子计算、量子通信和量子传感等技术正在快速发展，对高性能量子材料的需求日益迫切。这项研究为满足这些需求提供了新的思路和方法。特别是在超导量子比特、拓扑量子计算和低能耗电子器件等领域，基于kagome结构的材料可能发挥重要作用。

随着实验技术的不断进步和理论模型的日趋完善，科学家们有望在更多材料体系中发现和利用类似的量子现象，推动量子技术从实验室走向实际应用，为人类社会的技术进步贡献力量。

来源：人工智能学家