三維晶體中首次捕獲電子，為探索超導(dǎo)性等稀有電子態(tài)打開(kāi)大門

據(jù)最新一期《自然》雜志報(bào)道，美國(guó)麻省理工學(xué)院物理學(xué)家在純粹的結(jié)晶中成功捕獲了電子。這是科學(xué)家們首次在三維材料中實(shí)現(xiàn)了電子平面帶。通過(guò)一些化學(xué)操作，研究者表明，晶體可以轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)體。這一成果為科學(xué)家們?cè)?d材料中探索超導(dǎo)性和其他奇異的電子狀態(tài)打開(kāi)了大門。

每一個(gè)電子都有自己的能量。但是，如果一種物質(zhì)的電子被困在一起，它們就會(huì)像成為一體一樣，進(jìn)入完全相同的能量狀態(tài)。在物理學(xué)上，這種集體行動(dòng)被稱為“電子帶域”?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，當(dāng)電子處于這種狀態(tài)時(shí)，會(huì)受到其他電子量子效應(yīng)的影響，以協(xié)調(diào)的量子方式行動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)和獨(dú)特形式的磁性等奇異行為。

由于晶體的原子幾何結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行電子捕獲狀態(tài)，這種合成晶體的原子排列方式類似于日本的編籃藝術(shù)《籠目》的畫。在這種特殊的幾何結(jié)構(gòu)中，電子并不是在原子之間跳躍，而是被關(guān)在籠子里穩(wěn)定地坐落在同一個(gè)能量帶內(nèi)。

據(jù)研究人員稱，這種平面條帶狀態(tài)僅通過(guò)在特定的三維“籠目”幾何結(jié)構(gòu)中排列的原子組合就可以使用幾乎所有原子的組合。這個(gè)結(jié)果是科學(xué)家3d材料中的稀有探索電子狀態(tài)的新方法提供了更優(yōu)化，這些材料，最終超高效的電線，超級(jí)計(jì)算量子位和更加快速而智能的電子設(shè)備有望可以提供。

研究人員在實(shí)驗(yàn)室中合成了鈣和鎳的燒綠石晶體。在將光電子光譜分成特殊類別后，他們用大約半小時(shí)的時(shí)間測(cè)量了合成晶體樣本中數(shù)千個(gè)電子的能量。大部分晶體中的電子顯示出完全相同的能量，證明了3d材料的平帶狀態(tài)。

研究人員用銠和釕合成了同一晶體幾何結(jié)構(gòu)，并計(jì)算出這種化學(xué)交換可以將電子的平帶寬轉(zhuǎn)換為零能量，自動(dòng)誘發(fā)超導(dǎo)。其結(jié)果是，元素的組合略有不同，合成一個(gè)新的晶體時(shí)，在像超導(dǎo)體一樣的3d幾何結(jié)構(gòu)中，晶體的電子顯示水平帶，出現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)。

電子會(huì)在導(dǎo)電物質(zhì)中移動(dòng)，在大多數(shù)情況下，這些帶電粒子會(huì)來(lái)回旋轉(zhuǎn)，而不是與其他電子“配對(duì)”，但在一種情況下，會(huì)出現(xiàn)平坦的電子帶。此次物理學(xué)家在純粹的結(jié)晶中捕捉到他們的這種狀態(tài)，在3d材料中首次實(shí)現(xiàn)了平衡電子帶。這種稀有電子狀態(tài)的本質(zhì)，可以為科學(xué)家了解3d材料中的稀有電子狀態(tài)提供新的方法。