三重子是一种棘手的小东西。在实验中，它们极难被观测到。即便如此，研究人员通常还是在宏观材料上进行测试，测量结果是整个样品的平均值。8月22日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上的一篇论文的第一作者、美国科学院研究员罗伯特-德罗斯特（Robert Drost）说，这正是设计型量子材料的独特优势所在。这些设计量子材料可以让研究人员创造出天然化合物中找不到的现象，最终实现奇异的量子激发。

艺术插图描绘了钴-酞菁分子的磁激发，其中纠缠的电子传播成三重子。资料来源：Jose Lado/Aalto University

"这些材料非常复杂。它们能提供非常令人兴奋的物理学，但最奇特的材料也很难找到和研究。"阿尔托大学原子尺度物理学研究小组组长彼得-利尔耶罗斯教授说："因此，我们正在尝试一种不同的方法，利用单个成分构建人工材料。

量子材料受微观层面电子间相互作用的支配。这些电子关联导致了不寻常的现象，如高温超导或复杂磁态，而量子关联又产生了新的电子态。

在两个电子的情况下，存在两种纠缠态，即单重态和三重态。向电子系统提供能量可以将其从单重态激发到三重态。在某些情况下，这种激发会以一种称为三重态（triplon）的纠缠波在材料中传播。传统磁性材料中不存在这种激发，因此测量这种激发一直是量子材料领域的一项挑战。

在这项新研究中，研究小组利用小型有机分子创造了一种具有不同寻常磁性能的人工量子材料。实验中使用的每个钴-酞菁分子都含有两个前沿电子。

德罗斯特说："利用非常简单的分子构件，我们能够以一种前所未有的方式设计和探测这种复杂的量子磁体，揭示其独立部分所不具备的现象。虽然人们早已利用扫描隧道光谱法观测到了孤立原子中的磁激发，但还从未利用传播的三重子完成过这一观测。我们利用这些分子把电子捆绑在一起，把它们装进一个狭小的空间，迫使它们相互作用，从外部观察这样的分子，我们会看到两个电子的联合物理学。因为我们的基本构件现在包含两个电子，而不是一个，所以我们看到的是一种非常不同的物理学。"

研究小组首先监测了单个钴-酞菁分子的磁激发，随后监测了分子链和分子岛等较大结构的磁激发。研究人员希望通过从非常简单的现象入手，逐步提高复杂性，从而了解量子材料中的突现行为。在目前的研究中，研究小组可以证明，其构建模块的单三重激发可以作为被称为三重子的奇异磁性准粒子穿越分子网络。

"我们的研究表明，我们可以在人造材料中产生奇异的量子磁激发。"这项研究的共同作者之一、阿尔托大学相关量子材料研究小组负责人何塞-拉多（Jose Lado）助理教授说："这一策略表明，我们可以合理地设计材料平台，为量子技术开辟新的可能性。"

研究小组计划将他们的研究方法扩展到更复杂的构件，以设计量子材料中其他奇异的磁激发和有序化。从简单成分出发进行合理设计，不仅有助于理解相关电子系统的复杂物理，还能为设计量子材料建立新的平台。