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

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  据最新一期《自然》杂志报道,美国麻省理工学院物理学家在纯粹的结晶中成功捕获了电子。这是科学家们首次在三维材料中实现了电子平面带。通过一些化学操作,研究者表明,晶体可以转化为超导体。这一成果为科学家们在3d材料中探索超导性和其他奇异的电子状态打开了大门。

  每一个电子都有自己的能量。但是,如果一种物质的电子被困在一起,它们就会像成为一体一样,进入完全相同的能量状态。在物理学上,这种集体行动被称为“电子带域”。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,以协调的量子方式行动,会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,可以进行电子捕获状态,这种合成晶体的原子排列方式类似于日本的编篮艺术《笼目》的画。在这种特殊的几何结构中,电子并不是在原子之间跳跃,而是被关在笼子里稳定地坐落在同一个能量带内。

  据研究人员称,这种平面条带状态仅通过在特定的三维“笼目”几何结构中排列的原子组合就可以使用几乎所有原子的组合。这个结果是科学家3d材料中的稀有探索电子状态的新方法提供了更优化,这些材料,最终超高效的电线,超级计算量子位和更加快速而智能的电子设备有望可以提供。

  研究人员在实验室中合成了钙和镍的烧绿石晶体。在将光电子光谱分成特殊类别后,他们用大约半小时的时间测量了合成晶体样本中数千个电子的能量。大部分晶体中的电子显示出完全相同的能量,证明了3d材料的平带状态。

  研究人员用铑和钌合成了同一晶体几何结构,并计算出这种化学交换可以将电子的平带宽转换为零能量,自动诱发超导。其结果是,元素的组合略有不同,合成一个新的晶体时,在像超导体一样的3d几何结构中,晶体的电子显示水平带,出现超导状态。

  电子会在导电物质中移动,在大多数情况下,这些带电粒子会来回旋转,而不是与其他电子“配对”,但在一种情况下,会出现平坦的电子带。此次物理学家在纯粹的结晶中捕捉到他们的这种状态,在3d材料中首次实现了平衡电子带。这种稀有电子状态的本质,可以为科学家了解3d材料中的稀有电子状态提供新的方法。

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