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三维晶体中首次捕获电子,为探索超导性等稀有电子态打开大门

编译者:发布时间:2023-11-12点击量:116 审核: 埃米空间 王倩 博士

 

三维晶体中首次捕获电子,为探索超导性等稀有电子态打开大门

2023-11-10 08:43:57

来源:    科技日报 作者:张佳欣 评论:    0  

     

  据最新一期《自然》杂志,美国麻省理工学院物理学家成功地在纯晶体中捕获到电子。这是科学家首次在三维(3D)材料中实现电子平带。通过一些化学操作,研究人员还展示了他们可将晶体转变为超导体。这一成果为科学家在3D材料中探索超导性和其他奇异电子态打开了大门。

  每个电子都有自己的能量。但当一种材料的电子被困在一起时,它们可以进入完全相同的能量状态,仿佛合而为一。这种集体行为在物理学中被称为电子“平带”。科学家预测,当电子处于这种状态时,会受到其他电子量子效应的影响,并以协调的量子方式行动,然后就可能出现超导和独特形式的磁性等奇异行为。

  由于晶体的原子几何结构,实现电子的俘获状态是可能的,这种合成晶体的原子排列方式类似于日本编篮艺术“笼目”中的图案。在这种特殊的几何结构中,电子并没有在原子之间跳跃,而是被“关在笼子里”,并稳定地处在相同能带中。

  研究人员说,这种平带状态几乎可用任何原子组合来实现,只要它们排列在特定的3D“笼目”几何结构中即可。这一结果为科学家探索3D材料中的稀有电子态提供了一种新方法,将这些材料进一步优化,最终有望带来超高效率的输电线、超级计算量子位以及更快、更智能的电子设备。

  研究人员在实验室用钙和镍合成了一种烧绿石晶体。通过角分辨光电子能谱,他们在大约半小时内测量了合成晶体样品中数千个电子的能量,发现绝大多数晶体中的电子表现出完全相同的能量,证实了3D材料的平带状态。

  研究人员用铑和钌合成了相同的晶体几何结构,他们计算出,这种化学交换应该会将电子的平带转变为零能量,这种状态会自动导致超导。结果表明,当元素组合略有不同并合成一种新晶体时,在相同的类似笼目的3D几何结构中,晶体的电子显示出平带,并且出现超导状态。


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