（图示为普渡大学的教授 Michael Manfra站在高移动性砷化镓分子束取向生长系统边上手持一个砷化镓晶片，在 Birck 纳米技术中心。Manfra 领导一支普渡大学的研究团队，其团队创造了超纯半导体异质结构用于研究协调状态的电子。图片来源：Purdue Univ./Andrew Hancock。）

一个超纯材料接受的压力大于在海洋深处的压力并被冷却到比外太空还寒冷的温度，这个跨越两个不同的相类别的揭示了一个意想不到的相变。

一个普渡大学领导的研究小组从拓扑有序相到对称性破缺相观察到了电子转变。

 “据我们所知，在两个相组间的过渡之前尚未被明确证实过，而现有的理论无法描述它，” Gábor Csáthy说，其是普渡大学物理和天文学系的副教授，其领导了这项研究。 “这有点像把水从液体变道了冰；除了这两个相，我们看到的是彼此相非常的不同。”

一篇详细说明这个由美国能源部和国家科学基金会资助的研究的结果将发表在即将发行《Nature Physics 》上，并目前可以在线得到。

相是有一定组织的物质。大多数人都知道的冰、液体和气体相，而一些人熟悉我们的电子装置中存储数据的不同磁相，和用于在某些电子显示器上创造图像的液晶相，但也有许多其他相，Csáthy说。

1937年物理家Lev Landau建立的解释和归类所有已知相的理论框架，但在20世纪80年代末人们意识到，存在着发生在非常低温之下的不适合Landau理论的第二组相。新的相被命名为拓扑相，同时被朗道的理论所描述的传统相称为对称性破缺相，一位来自伊利诺伊大学香槟分校的物理学教授Eduardo Fradkin说，同时也是伊利诺伊大学凝聚态理论研究所的主任，其参加了这项研究，并为这篇论文的共同作者。

拓扑相因其特殊的性质和潜在的技术应用，包括量子计算，而一直是凝聚态物理领域的一个研究焦点。

Csáthy专门从事半导体拓扑相的研究和工作来发现和表征罕见的拓扑相。他的研究小组利用新的研究技术对在超纯砷化镓半导体晶体中流动的电子自由，其是完美排列的镓和砷原子组成的晶格，其可以在二维平面上捕获电子。

世界上只有少数一些团队能够生长所述的材料，和在此研究中使用的超纯晶体是由普渡大学的物理学和天文学教授Michael Manfra领导的团队所生长的。 Manfra也是材料工程系和电气和计算机工程系两个系的教授。

使用分子束外延技术生长的砷化镓晶体，作为一种模式平台来探索强烈的电子相互作用时出现的许多相，Manfra说，其也参加了研究，并为文章的共同作者。

 “我们的砷化镓在半导体和其他新型材料中是独一无二的，由于其极低的无序程度，”他说。 “这种科学所需的极端——极端纯度，极端温度——是不容易实现的，但是努力是值得的来去发现涉及一致整个电子海以统一形式行为的新现象。这对于像我们一样的科学家是一个最大的激励，而我们试图把我们的实验技术推向绝对的极限。”

由Manfra组生长的材料，显示出具有3500万厘米每伏秒平方的电子移动性测量值，其测量的纯度是在世界上任何组实现的最高水平。

 “在大多数的材料中，电子可以做什么是非常有限的，因为他们会进入原子级的缺陷，其会扰乱他们、散射他们和破坏脆弱的相和相关联的状态，”Csáthy说。 “由Manfra的组生长的材料是如此的纯净和无缺陷，以至于其可以使电子自由地进入到超过100个不同的相，这是惊人的。其中一些相根本无法在其他材料中存在。”   

Csáthy的研究小组利用独特的设备和技术来在0.012 K的温度取得电力，这是接近绝对零度并是大约零下460华氏度，及压力高达1万个大气压，也就是人在马里亚纳海沟的最深处会感到的压力的10倍 。 

所述的极低温度鼓励电子进入异状态，其中他们不再遵守单粒子物理规律，而取而代之的是由他们的相互交互所约束。电子的集体运动则可能的是由量子力学定律所描述的，而不是经典力学的定律，他说。

Csáthy的研究小组专注于分数量子霍尔状态的量子数为5/2，其被认为是一个非阿贝尔拓扑相。非阿贝尔状态是从本质上与已知的状态不同，他说。

 “想象一下，鸡蛋在一个鸡蛋纸箱中被安排得就如同电子以一个特定的形式进行排列，”他说。 “鸡蛋是相同的，就像电子是相同的粒子。如果你用一个鸡蛋与另一个相换，一切都没有改变。它仍然是一组相同排列的鸡蛋。如果有人没有看到交换，他或她不会知道这件事已经发生。在非阿贝尔状态下，如果你互换两个电子，它引起整个组的变化而鸡蛋纸箱进入一个完全不同的状态。这个互换来影响整个群体的状态的能力是一个非常特殊的属性。”

该团队试图在这个非阿贝尔状态诱导电子自旋转换，但想要的状态达到之前，电子自发地转变成属于传统、破对称相组的所谓的“条纹”相。

 “当我们开始实验时，我们试图完成别的东西，但条纹持续如雨后春笋般冒出来，而我们就失去了正在调查的分数的量子霍尔相，”Csáthy说。 “我们很惊讶，因为人们认为这两种不同类别的相是相差很远的，而且这样的转变是不可能的，但是电子从拓扑相的深层到对称性破缺相的过深状态。”

研究小组随后改变了实验的方法来一步步通过新的转变。

研究小组下一步计划来表征新的相转变和建立其参数，以便数据可以与发展中的理论相比，Csáthy说。时，我们试图完成别的东西，但条纹持续如雨后春笋般冒出来，而我们就失去了正在调查的分数的量子霍尔相，”Csáthy说。 “我们很惊讶，因为人们认为这两种不同类别的相是相差很远的，而且这样的转变是不可能的，但是电子从拓扑相的深层到对称性破缺相的过深状态。”

研究小组随后改变了实验的方法来一步步通过新的转变。

    研究小 组 下一步 计 划来表征新的相 转变 和建立其参数，以便数据可以与 发 展中的理 论 相比，Csáthy 说 。