電與磁的量子共舞：臺大團隊首次在原子尺度揭示二維磁性材料中的協同效應

當電子世界的「電性」與「磁性」不再各自為政，而是開始共舞，會帶來什麼樣的突破？臺灣大學物理系特聘教授邱雅萍所領導的研究團隊，近期首次在原子尺度上觀察到這2種量子性質的同步表現，在1種室溫二維鐵磁性材料中形成緊密的互相作用。這項成果不僅改寫了我們對量子材料的認識，也為未來量子電子元件的發展開啟嶄新的視角，相關研究已刊登於Nature Communications。

傳統上，電性與磁性在許多材料中往往呈現競爭關係，難以同時發揮作用。然而，邱教授團隊這次研究的材料─Fe5GeTe2─一種能夠在室溫下仍保持鐵磁性的二維晶體，因為其中鐵原子的特性而成為了理想的實驗平台。這種材料中的鐵原子特別之處在於，其d軌域的電子能同時扮演「產生磁性」與「傳導電流」的雙重角色，這種「一人分飾兩角」的性質恰好創造了磁性序與電荷序共存的理想條件，有助於深入了解電與磁的共存機制。

研究團隊使用高解析度的掃描穿隧顯微術 (STM)，在原子層級觀察Fe5GeTe2表面的電子行為。他們發現，該材料不僅展現出週期性的電荷密度波 (CDW)，還同時呈現出近藤效應 (Kondo effect) 與穩定的鐵磁特性。更重要的是，這些多重量子態並非獨立存在，而是呈現出空間上的同調現象，顯示電性與磁性之間在實空間實現罕見的量子耦合現象。

進一步分析發現，這是由於特定鐵原子扮演調節中心的角色，而引發材料表面形成√3×√3的超晶格排列。這一現象提供實驗證據，證明電與磁可在該材料中實現協同共振的量子關係，挑戰以往研究強關聯電子系統的主流理論假設，並對多功能量子材料的設計帶來啟發。

這項成果是臺灣科學界跨校、跨領域合作成就。邱雅萍教授團隊負責微觀實驗量測，臺灣大學重點科技研究學院教授周至品團隊提供理論計算支持，成功大學教授呂欽山團隊則負責提供高品質的二維單晶材料。研究成果感謝國科會A世代半導體計畫、尖端晶體材料聯合實驗室、臺大與中研院創新合作計畫、教育部高教深耕計畫之臺大新穎材料原子級科學研究中心 (AI-Mat)，以及台積電臺灣大學聯合研發中心等單位的資助支持。

這項研究的發現不僅讓我們更理解量子材料中的多重自由度如何互相耦合，更為未來高效、可控的量子裝置提供支持，是基礎科學與應用技術交匯的關鍵一步。

研究成果全文已發表於Nature Communications ： https://doi.org/10.1038/s41467-025-60301-7