圖為十二硼酸鐿晶體，化學式YbB12。圖片來源：密歇根大學

    量子材料是一種奇特的物質，如果物理學家能破解其工作原理的話，當其用作iPhone電池時，其效率可能比常用的導體硅高出許多倍。

    密歇根大學的一位物理學家已經邁出了第一步，他詳細描述了一種新型量子材料——十二硼化鐿（YbB12），并設想了如何有效地通過這種材料傳導電能。這種材料導電性的演示將有助于科學家理解這些電磁材料中的自旋、電荷和能量流。

    YbB12是一種非常干凈的晶體，它具有非同尋常地導體和絕緣體的特性。也就是說，YbB12的整體內部是絕緣體，不導電，而其表面在導電方面非常有效。但是研究人員需要能夠精確地測量出這種材料的導電性能。

    “目前，我們大多通過電話聯系。電話內部是它的關鍵部件：由硅制成的晶體管，通過該裝置傳遞電。”密歇根大學物理學教授，項目負責人Lu Li說：“這些硅半導體利用它們自身的大部分材料來形成電流路徑。這使得使電子設備很難運行的更快或更簡潔。”

    用量子材料代替手機的硅晶體管會使手機更快、更輕。這是因為器件內部的晶體管可以在其表面上非常快速地導電，并且由于在金屬內部的絕緣層下面有一個較輕的核心，它可以小得多。

    量子材料不只局限于為我們的手機供電。它們可以用于量子計算，這個領域尚處于起步階段，但它已經可以用于網絡安全了。我們的計算機目前通過二進制數據處理數據：0和1。但是，計算機以這種方式處理數據的速度是有限的。相反，量子計算機將使用原子和電子的量子特性來處理信息，從而開發更快地處理大量信息的能力。

電阻振蕩揭示了YbB12的電子結構。圖片來源：密歇根大學

    Li研究YbB12以了解材料的電子特征，這告訴研究人員材料導電的程度。在一個非常有效的導電凈金屬中，電子在金屬中形成團簇。

    這些簇的擺動導致材料電阻的振蕩。這種振蕩告訴研究者材料的導電效率有多高。在這項研究中，Li能夠測量塊狀絕緣子的電阻振蕩，這是他四年來一直試圖解決的問題。

    為了測量這種振蕩，Li使用了位于佛羅里達州國家強磁場實驗室的一個非常強大的磁鐵。Li說，這種磁鐵類似于你用來把照片固定到冰箱上的磁鐵，但它的威力更大。冰箱磁鐵的吸引力大約為0.1特斯拉（磁場測量單位）。佛羅里達州實驗室的磁鐵有45特斯拉。這比MRI機器中使用的磁鐵大40倍。

    為了測量YbB12的效率，Li在磁體存在的情況下在樣品中通過電流。然后，他檢查了電壓在整個樣本中下降了多少。這就告訴Li材料中有多少阻力。

    “我們終于得到了準確的證據。我們發現一種材料，在它的內部是一個很好的絕緣體，但是它的表面卻是一個很好的導體，因此我們可以在導體上做一個電路。” Li說：“你可以想象，你可以擁有一個在微小的表面上快速移動的電路。這就是我們希望未來電子產品所能達到的目標。”

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責任編輯：殷鵬飛

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