运用奇特的几何结构，实现了一种罕见的电子态

发布时间：2023-11-20 11:00:44 所属栏目：外闻来源：

导读：当电子在导电材料中移动时，它们就像是高峰时段的通勤者一样，可能会相互拥挤和碰撞。不过在大多数情况下，这些电子并不“在意”彼此，它们各自都携带着不同的能量自顾自地向前冲。

科学家预测，当电子

当电子在导电材料中移动时，它们就像是高峰时段的通勤者一样，可能会相互拥挤和碰撞。不过在大多数情况下，这些电子并不“在意”彼此，它们各自都携带着不同的能量自顾自地向前冲。

科学家预测，当电子处于这种平衡态时，它们可以开始感受到其他电子的量子效应，并表现出协调的量子行为，进而可能出现如超导性和一些独特磁性等奇异的量子现象。

在经过了长时间的理论研究后，近年来，物理学家们已经成功地在二维材料中实现了电子陷俘，并在实验中证实了电子平带态。但一个显著的问题是，在二维空间中陷俘的电子很容易从第三维逃逸，这使得平带态难以在二维空间中维持。

电子平带是否可以在三维材料中实现，从而使得这些奇异的电子态能以更稳定的形式存在？现在，一项新发表于《自然》杂志的研究表明，一个物理学家团队成功地将电子陷俘在一个纯晶体中，首次在三维材料中实现电子平带。通过一些化学操作，研究人员还将这个晶体转化为超导体。

在之前的研究中，这项研究的作者就已经在二维材料中观察到，当晶格的模式与“笼目”类似时，电子就可以被吓唬，进而实现电子平带。但是，和其他一些研究一样，研究人员也同样发现，这些电子可以通过第三维度从晶格中逃逸出去。因此，他们想知道：有着类似结构的三维晶格，是否就可以将电子包裹起来呢？

在材料结构数据库中，他们发现了一种通常被归类为烧绿石的矿物的原子几何结构。铁绿石的原子结构具有高度对称性，这些原子的三维结构形成了一个重复的立方体模式，每个立方体的表面具有类似于笼目的晶格。他们的理论模型表明，这种几何结构可以有效地将电子束附在每个立方体内。

为了验证这一假设，研究人员在实验室合成了一种烧绿石晶体。他们采用的合成方式与自然界制造晶体的方式并无大的不同：将某些元素放在一起，让它们在非常高的温度下熔化，再冷却，然后这些原子就会自动排列成这种具有笼目模式的晶格。

通常情况下，科学家会利用光电发射实验来进行这种测量：他们将一个光子照射到样品上，然后释放出一个电子，探测器可以精确地测量这个单电子的能量。

这种方法对于确认二维材料的平带态非常简单有效，但对三维材料来说，却充满了挑战。因为这类实验需要一个非常平坦的表面，而三维材料的表面往往像山脉一样，有着高低起伏的不平“地貌”。这也是目前科学家难以用这种方法来证实三维材料可以俘陷电子的部分原因。

在新的研究中，研究人员采用角分辨光电子谱学（ARPES）清除了这一障碍。ARPES是一种超聚焦光束，传感器能够精密地瞄准不均匀的等离子体三维集何表面上的特定等离子体位置，并测量这些等离子体位置上的单电子的能量。

为了测试这些协调电子能否进入某种奇异的电子态，研究人员用铑和钌原子代替镍原子，合成了另一种有着相同的原子几何形状的三维晶体。根据他们的理论计算，这种化学上的改变应该会使电子平带变成零能态——一种能自动导致超导的状态。

实验结果证实了这一计算，新合成的晶体的电子在超导态下表现出了平态。这表明，这种电子平带态几乎可以通过任何原子组合来实现，只要这些不规则原子按照有序的类似“正方形的笼目”的规则的三维几何形状匀称地排列。

这一成果为寻找新的、有趣的量子材料提供了一个新的思维方式，为科学家探索三维材料中罕见的电子态提供了一种新方法。

（编辑：汽车网）

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