量子物质的新纪元：从自充电PC到火星航行——新量子相展示的“自旋传输”技术革命

1. 引言：量子物质的“第五形态”显现

就像水可以变成冰、液体和蒸汽一样，物质世界中存在多种**状态（相）**。2025年7月25日，物质科学的地图上标记了一个新的点。加州大学欧文分校的路易斯·豪雷吉副教授等人报告了**“自旋三重态激子绝缘体”**，这是一个以前仅存在于理论中的幻影相。

2. HfTe₅ 和 70 特斯拉磁场：实验幕后

新相被观测到的材料是五碲化铪 HfTe₅。它是层状晶体，具有链状导电路径，在强磁场下电子带会收敛到零模式。研究团队利用洛斯阿拉莫斯国家实验室和国家强磁场实验室的脉冲磁场设施，施加了高达 70 T的磁场，相当于“冰箱磁铁的700倍”。超过临界点后，电阻显著上升，霍尔传导被固定为零——电荷流动停止，取而代之的是仅自旋有序的迹象。

3. 什么是激子，以及“自旋三重态”的含义

激子是电子和空穴通过引力束缚的虚拟粒子。通常情况下，两者的自旋方向相反，形成自旋单态，但这次形成的是同向的“自旋三重态”。理论上，这种状态只有在强库仑相互作用和带交叉同时作用的极限下才能实现，此次观测是首次。HfTe₅ 的外尔模式（单向延伸的零次朗道带）在超量子极限下交叉，满足了这一条件。

4. 辐射耐性和“自充电”——应用潜力

HfTe₅ 的新相不易受晶格缺陷和电离辐射的影响，有望在深空探测设备中构建不易损坏的计算单元。此外，由于自旋信息的耗散较小，可能成为无需电池的自充电型逻辑和下一代自旋电子器件的关键。研究团队表示，“‘可用于太空的量子芯片’这一全新市场将被打开。”

5. 专家的视角：资深研究者谈突破口

• 东京大学的大槻副教授

  “三重态激子被预测即使在高温下也不易破裂。如果能提升到接近室温，量子极限将能在日常中实现。”

• 麻省理工学院的晶体物性小组

  “零霍尔状态在广泛范围内持续，是自旋超流实验的理想选择。自旋版约瑟夫森结可能会成为现实。”

6. 社交媒体的反应：热情与冷静的二重奏

在 Reddit 的 r/science 中，24 小时内集中超过 1,800 个赞。热门评论是“‘说是可以用于太空，但要带上 70 T 磁铁吗？’”显得尖锐。另一方面，自称量子信息研究者的用户称赞道：“‘零霍尔超过 60 T 的维持’是自旋流设备的活生生的证明”。在 X（前 Twitter）上，#ExcitonicInsulator 一度成为北美趋势，Phys.org 官方帖子被转发超过 2 万次。RedditX (formerly Twitter)

7. 产业界的温度感

卫星制造商 Space‑Next 的 CTO 在本报采访中表示，“希望在 2028 年的深空探测器上搭载测试芯片”。半导体巨头 InfiniSpin 透露已开始委托研究 HfTe₅ 薄膜的生长。然而，巨大磁场生成成本是个问题，常压、无磁场下稳定同相的“莫尔超晶格”或“应变工程”的竞争可能会加剧。

8. 未来的课题和展望

1. 临界磁场的降低：化学掺杂以改变外尔带的交叉角度正在研究中。

2. 室温操作：提高激子结合能的层间压缩技术是关键。

3. 设备实现：测量自旋超流的非局部自旋阀的原型计划在明年进行。

4. 宇宙射线实验：正在与 JAXA 协商在国际空间站外部平台进行辐射照射测试。

9. 总结

新确认的自旋三重态激子绝缘体正在使“量子自旋成为电子学的主角”这一未开拓领域成为现实。尽管未解决的问题很多，但“量子物质自身储存能量，并且不受宇宙射线影响”的梦想故事终于进入了验证阶段——这就是 2025 年夏天的历史意义。

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