美國科學家最近發現了一種罕見的量子材料，能夠按需在兩種不同的電子狀態之間切換，這一發現可能為更快的電腦芯片和自適應傳感器鋪平道路。這項研究由美國能源部（DOE）阿爾戈尼國家實驗室（ANL）領導，研究團隊在一種新型的硫化鎳材料中識別出這一可切換的量子特性，該材料被稱為 KxNi4S2（0 ≤ x ≤ 1）。這種化合物的結構中，鎳和硫被夾在鉀的層之間，鉀的含量可以根據樣本的不同而變化，從零到一不等。
根據西北大學的教授 Mercouri Kanatzidis 博士的說法，研究人員可以調整材料中鉀的含量，從而改變其結構。他指出，這種材料能夠在同一結構中切換量子狀態，這在現有材料中尚無類似的例子。他表示，KxNi4S2 的開發始於 2021 年，旨在創造更多的超導體，但隨著對其特性的研究，研究人員發現施加電流可以將鉀推離這些層，從而導致材料的整體形狀發生變化。這一過程是可逆的，使得材料能夠擁有兩種明顯的量子特徵：狄拉克錐和平帶。
這兩種狀態在控制電子行為方面起著至關重要的作用。在狄拉克狀態下，電子幾乎無質量，移動速度極快，而平帶狀態則使電子減速，讓它們表現得像是更重。因此，這種雙重性有效地將材料轉變為電子的交通管理器，實現對速度和流量的精確調節。研究團隊指出，這種控制在現代電子學中極具價值，能夠動態調整電子行為的設備，能提升高性能處理器和智能傳感器等技術的性能、效率和功能。
在這項研究中，科學家們在阿爾戈尼的納米材料中心（CNM）製作了這些材料的樣本，並利用 Bebop 高性能計算集群計算其電子結構。他們使用先進光子源（APS）的觀察確認了 KxNi4S2（0 ≤ x ≤ 1）的雙重狀態。Kanatzidis 在新聞稿中表示，材料中高含量的鎳意味著鎳原子必須相互作用並結合在一起，這被認為是其有趣特性的來源。
能夠在一種材料中切換量子狀態，可能會簡化設備設計。工程師可以依賴單一系統，實時改變行為，而不必使用多種材料。此外，這一發現還為設計量子材料開辟了新途徑。Kanatzidis 表示，我們對這種化合物的形成有了更好的理解，現在希望擴大我們的合成方法，以尋找更多類似的材料。這項研究已發表在同行評審的期刊《Matter》中。
