顶部：KNi4S2的结构。左图：钾原子（K）、镍原子（Ni）和硫原子（S），分别以紫色、红色和黄色表示。右：去除K原子。底部：状态之间的过渡，高亮平坦带（方形）和狄拉克锥（圆圈）。图片来源：赵恒迪。
美国DOE阿根实验室团队发现新型镍硫化物的可切换量子特性，推动高速电子器件技术进步
研究内容于2026年3月发表在《Matter》期刊，研究可实时控制材料电子结构，或用于高速晶体管、适应性传感器等先进设备。
美国能源部（DOE）阿根国家实验室（Argonne National Laboratory）领导的一支科研团队近日在一种新型镍硫化物材料中识别出一种罕见且可切换的量子属性。该发现可能为高速度晶体管、适应性传感器以及其他需要实时调控材料电子结构的设备提供重要技术路径。
材料与结构该化合物为 KxNi4S2（0 ≤ x ≤ 1），其结构为镍与硫层夹在钾层之间。式中的“0 ≤ x ≤ 1”表示材料中钾的含量可从完全缺失到完全饱和，取决于具体样品。
发现背景与可逆切换KxNi4S2 最早在 2021 年的论文中被详细报道，最初是为进一步开发更高效超导体而制备。研究人员在探索层状材料特性时意外发现：施加电流可驱动钾层离去，导致结构“被压扁”，从而改变材料结构。该过程可逆，使同一材料同时承载两种不同的量子特征：Dirac 锥与平带系统。
“你可以调节从完全钾到完全去除再到任意中间状态的钾含量。这意味着你可以在同一材料内部实现从一种量子态切换到另一种量子态。” ——Mercouri Kanatzidis，西北大学教授兼阿根国家实验室联合任职材料科学家，研究负责人
“我无法想到另一一样材料能做到这一点——如果存在的话，也并不为人所熟知。” ——Kanatzidis
团队与贡献本研究的主要阿根贡献者包括主材料科学家 Duck Young Chung、伊利诺伊大学芝加哥分校联合任职研究员 Hyowon Park，以及博士后 Hengdi Zhao 和 Xiuquan Zhou。Zhou 现任乔治城大学助理教授。
Dirac 锥与平带的电子调控功能
Dirac 锥和平带可充当电子（带负电荷的亚原子粒子）的“交通指挥官”。在 Dirac 锥中，电子表现得轻盈且可高速运动；在平带中，同一电子则显得质量大、运动缓慢。
实验与验证研究人员在阿根的纳米尺度材料中心（CNM）制备了该材料样品，并利用阿根实验室计算资源中心的 Bebop 高性能计算集群计算其电子结构。随后在先进光子源（APS）观察样品，验证了 KxNi4S2（0 ≤ x ≤ 1）中的双重态。CNM 与 APS 均为 DOE 科学办公室的用户设施。
先前相关发现与未来展望这并非 Kanatzidis 与同事们从超导材料研究中首次取得的意外发现。另一种最初被设计为潜在超导体的化合物虽然未能实现超导，但后来被证明是电池和其他能源转换技术的优良候选材料。
Kanatzidis 还研究了用于下一代光伏的卤化物钙钛矿，并因该工作最近获得美国化学会颁发的 2026 年 William H. Nichols 奖。
科研目标与意义基础科学打造这些新化合物的最终目标是发现新的量子材料和超导体。每一步都提供重要见解，例如一种发现并制造两种或多种元素晶体材料的新方法——这正是用于制备 KxNi4S2（0 ≤ x ≤ 1）的方式。Kanatzidis 表示：
“这类材料中镍含量很高，意味着镍原子需要相互作用并结合在一起，我们认为这正是其有趣性质的根源。” ——Kanatzidis
“我们已经对产生这类化合物的机制有了更深入的了解，现在想把合成方法推广到寻找更多类似材料。” ——Kanatzidis
勇编撰自论文"Evolution from topological Dirac metal to flat-band-induced antiferromagnet in layered KxNi4S2 (0 ≤ x ≤ 1)".Matter.2026相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。
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