Fysiker ledda av Lu Li vid University of Michigan har upptäckt kvantoscillationer som uppstår från volymen av ett isolerande material, vilket utmanar länge hållna antaganden inom fysiken. Upptäckten, publicerad i Physical Review Letters, antyder en ny dualitet där material kan bete sig både som metaller och isolatorer. Detta bisarra fenomen observerades med hjälp av kraftfulla magneter vid National Magnetic Field Laboratory.
Lu Li, professor i fysik vid University of Michigan, och ett internationellt team av forskare har upptäckt kvantoscillationer i värmekapaciteten hos Kondo-isolatorn ytterbiumborid (YbB12). Dessa oscillationer, som vanligtvis ses i metaller där elektroner beter sig som små fjädrar som vibrerar i magnetfält, har tidigare debatterats i isolatorer: om de uppstår från ytan eller volymens inre.
Forskarna genomförde experiment vid National Magnetic Field Laboratory och använde magneter upp till 35 Tesla – cirka 35 gånger starkare än en sjukhus-MRI. Deras resultat, detaljerade i Physical Review Letters (2025; 135 (15)), bekräftar att oscillationerna är intrinsiska för materialets volym, inte bara en yteffekt.
"Jag skulle gärna påstå att det finns en fantastisk tillämpning, men mitt arbete skjuter hela tiden bort den drömmen," sa Li. "Men det vi har hittat är fortfarande verkligen bisarrt och spännande."
Upptäckten pekar på en "ny dualitet" inom fysiken, liknande våg-partikel-dualiteten hos ljus och materia som upptäcktes för över ett sekel sedan. Li förklarade: "Effektivt sett visar vi att den naiva bilden där vi föreställde oss en yta med god ledningsförmåga som är möjlig att använda i elektronik är helt fel. Det är hela föreningen som beter sig som en metall trots att det är en isolator."
Samarbetet involverade över ett dussin forskare från sex institutioner i USA och Japan, inklusive Kuan-Wen Chen och doktoranderna Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chan och Kaila Jenkins från University of Michigan.
"I åratal har forskare jagat svaret på en grundläggande fråga om bärarens ursprung i denna exotiska isolator: Kommer det från volymen eller ytan, intrinsiskt eller extrinsiskt?" sa Chen. "Vi är glada över att kunna ge tydliga bevis för att det är från volymen och intrinsiskt."
Zhu tillade: "Att bekräfta att oscillationerna är från volymen och intrinsiska är spännande. Vi vet ännu inte vilken typ av neutrala partiklar som är ansvariga för observationen. Vi hoppas att våra fynd motiverar fler experiment och teoretiskt arbete."
Li erkände: "Jag önskar att jag visste vad jag skulle göra med det, men på detta stadium har vi ingen aning. Det vi har nu är experimentell bevisning för ett anmärkningsvärt fenomen, vi har registrerat det och förhoppningsvis kommer vi någon gång att inse hur man använder det."
Projektet stöddes av U.S. National Science Foundation, U.S. Department of Energy, Institute for Complex Adaptive Matter, Gordon and Betty Moore Foundation, Japan Society for the Promotion of Science och Japan Science and Technology Agency.