物理学院陈剑豪团队在奇异金属中发现量子几何诱导的反常手性输运

研究团队在奇异金属量子几何非线性输运研究领域取得重要原创突破，首次在中心对称奇异金属体系中观测到量子几何诱导的反常手性输运与隐藏对称性破缺，为阐释强关联体系物理机制开辟了全新研究路径。

　　

奇异金属态是凝聚态物理领域的跨世纪难题，与高温超导机理、强电子关联、量子临界点附近的多体量子纠缠紧密相关，广泛存在于高温超导、重费米子、魔角石墨烯等各类强关联电子体系。其微观起源至今尚无定论，传统费米液体理论无法解释相关反常行为。探明奇异金属的内在物理机制，可为高温超导、量子临界研究提供重要突破口。近日，北京大学物理学院量子材料科学中心陈剑豪教授牵头，联合北京大学谢心澄院士、黄华卿助理教授、刘少博特聘副研究员（团队核心骨干）、上海交通大学方裕强副研究员和北京师范大学刘海文教授等合作者，在奇异金属量子几何非线性输运研究领域取得重要原创突破，首次在中心对称奇异金属体系中观测到量子几何诱导的反常手性输运与隐藏对称性破缺，为阐释强关联体系物理机制开辟了全新研究路径。

本研究选用的2M-WS₂是极具潜力的中心对称拓扑超导候选材料，过往研究多围绕其超导态展开，该体系拥有TMD材料常压下最高超导转变温度，还观测到马约拉纳束缚态、拓扑表面态等多种拓扑非平庸行为。近期研究团队在其正常态25K附近发现费米液体向奇异金属的转变，奇异金属区间出现大幅反常增强的能斯特效应，能斯特系数远超理论预期，堪比铜基高温超导涡旋能斯特信号，相关微观机制尚不明确（图1）。

图1. 2M-WS₂奇异金属-费米液体转变温区同时表现出一系列纠缠的强关联物理

陈剑豪团队长期深耕低维量子器件与量子输运领域，近期产出多项重要成果，低维磁性【Nature Communications 12,6279(2021)；Nature Communications 14,2526(2023)；Nature Communications 17,4292(2026)；Nature Communications 17,1465(2026)】、低维超导强关联【Nature Communications 15,7569(2024)；National Science Review, nwae220(2024)；Physical Review Letters 137,016302(2026)】、低维拓扑【Science Bulletin 68,1488(2023)；Nature Communications 15,5038(2024)】和低维高迁移率【Advanced Materials, 37,2411300(2024)】，为本次研究积累了扎实的实验与研究基础。

研究人员依托高精度微纳加工工艺与强磁场下二次谐波非线性输运测量技术，在2M-WS₂体系中首次观测到反常电磁手性各向异性eMChA，直接证实体系存在隐藏对称性破缺（图2、3）。该手性输运信号与超大能斯特响应恰好出现在同一相变温区，二者随温度、磁场的演化规律高度吻合，说明两种反常物理现象拥有相同的微观起源（图4）。结合理论分析与第一性原理计算，研究团队明确两类反常行为均源于非平庸量子几何效应：费米面附近轨道磁矩在费米液体-奇异金属相变过程中占据主导作用，而层间局域滑移引发的微弱空间反演对称性破缺，为量子几何效应的产生提供了物理前提。

图2. 非心对称体系中磁场诱导的二阶非互易输运（中心对称体系中禁止）

图3. 中心对称的拓扑超导体2M-WS₂中首次观测到电磁手性各向异性

图4. 2M-WS₂在奇异金属-费米液体转变区间表现出同源的二阶非线性响应和能斯特响应，暗示隐藏对称性破缺

同期，清华大学薛其坤院士团队借助STM，在该相变区间观测到可脱离晶格束缚、具备旋转特性的非常规条纹电荷序，从微观尺度为解析奇异金属本质补充了关键实验证据。不同表征手段的实验结论相互佐证，充分证明2M-WS₂的奇异金属态蕴含丰富的强关联量子行为，使其成为探究奇异金属手性输运的理想研究平台，为攻克奇异金属、高温超导等领域长期悬而未决的重大物理难题提供了全新研究范式（图1）。

该研究成果以“Quantum geometry induced anomalous chiral transport and hidden symmetry breaking in centrosymmetric 2M-WS₂”为题，于2026年6月30日在线发表于国际顶级物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。北京大学崔航博士、刘少博特聘副研究员（兼共同通讯作者）、王二晴博士后为论文共同第一作者。陈剑豪、刘少博、黄华卿、方裕强为共同通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目和北京大学微纳加工实验室的支持。