导语：有什么物质既是导体有时绝缘体？
关键词：导体；绝缘体；量子物理
有时有电流，有时没电流，太让物理学家头疼了。（图片来源：Geralt/pixabay）
金属导电，绝缘体不导电，这两者是相反的两极。迄今为止我们都对这个结论深信不疑。但我们在一种常见的绝缘体上有了新的发现，它能在特定条件下同时表现出导体的属性。我们尚未解开这种现象的谜底，但它可能与全新的、激动人心的量子效应有关。
这是一项惊人的发现，因为绝缘体（比如玻璃）中的电子多数是被束缚在一个地方，故对电流产生很强的阻碍。而另外一方面，导体（比如金属）中的电子则能够长程自由迁移。那么，我们如何能够让一种材料中的电子表现出上述两种状态呢？
要实现这样的目的，你可以制造一个“三明治”，两片导体间夹一块绝缘体。最近，人们发现了一类被称为拓扑绝缘体的材料，它们就具备上述的双重特性。但实际上，我们所发现的材料中间部分本身就能表现出金属和绝缘体的特性。
确信无疑？
我们发现的材料早已广为人知，人们从20世纪60年代起就开始对它进行研究，由于具有拓扑绝缘特性，最近它引发了不少的关注，这种材料就是硼化钐。
我们在实验室使用的硼化钐晶体。（图片来源：Geetha Balakrishnan，作者提供）
通过如下的实验方法我们发现了硼化钐双重特性：在材料上施加一个磁场，然后寻找“量子振荡”，即电阻、磁化强度等性质的波动。
这种量子振荡是金属的固有属性，它能够描绘出金属 “费米面”，费米面大致表现了材料中电子轨迹的几何形状。由于量子振荡揭示出了电子的运动细节，因此它通常被用于进一步理解导体材料的属性。
当我们将一小块绝缘材料样本放置在磁场中的悬臂上时，屏幕上出现了惊人的快速波动，这表明电子正在材料中进行长程迁移，如同在金属中一般。
当我把这个发现告诉同事时，他的第一反应就是：“你要知道，这是不可能的。”接下来，我们将材料进一步冷却，直到接近绝对零度（0 K，或者-273℃）时，惊人的事情再次发生了。我们发现，它不仅挑战了我们对其绝缘特性的预测，而且还严重违反了常规金属的法则。
解开费解的谜底
一种材料兼有金属和绝缘体这两种固有特性，我们怎样才能解释这个显然自相矛盾的问题呢？有一种与目前的理论相悖的可能就是，在某些绝缘体中的电子会表现地如同在金属中一样。
这种表现或许与量子力学的怪异特性有关。根据量子力学，粒子在同一时刻可具有两种状态。
幽灵般的猫。图片来源：Robert Couse-Baker/Flicr, CC BY-SA
这就是为什么那只著名的薛定谔的猫能同时处于死和活两种状态。薛定谔的猫是一个思维实验，在这个实验中，一只可怜的猫被放在一个箱子里，箱内有一瓶毒药和一个放射源。如果箱内的仪器检测到放射性，瓶子就会被打碎，释放出毒药把这只猫毒死。按照量子力学的理论，只要不打开箱子检查，我们就不得不认为这只猫正处于既死又活的状态。
与之类似，我们的材料所具有的奇怪特性可以这样解释：我们发现了一种全新的“徘徊在”金属和绝缘体之间的量子状态。
还有一种可能，就是我们发现了物质的一种新量子相。根据量子物理理论，上万亿个电子能够协同作用，表现出异于单个电子的特性。我们发现的材料既非常规金属亦非常规绝缘体，这也许意味着物质新量子相的“横空出世”。
为了解释这令人费解的实验结果，人们提出了许多创造性的推论，这无疑是令人激动不已的。为了理解这个发现所隐含的全新物理世界，我们计划在高质量晶体上做更多的实验，以区分各种不同理论的预测。
无论最终哪种解释是正确的，人类在这数十年间对金属和绝缘体之间非此即彼的广泛认识可能即将面临被颠覆的命运。
关于作者：
Suchitra Sebastian，剑桥大学卡文迪什实验室物理学讲师。作者的研究经费来源包括： ERC、英国皇家学会和EPSRC。
（翻译：范俊；审校：侯政坤 ）
原文链接：
（题图来源：www.redwolf.in）
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