科學(xué)研究：“二維化”的電子

圖片來源：Pixabay

由異常物理定律支配的隱藏世界聽起來好像是科幻小說中的東西。然而，近期科學(xué)家卻觀測到了這樣一個現(xiàn)象。這是一個隱藏在真實超導(dǎo)材料中的平面世界。在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）中，研究人員報道了一種三維材料，其中的電子表現(xiàn)得好像只有二維空間的存在。

我們生活在三個空間維度中，包括長度、寬度和高度。科學(xué)家利用工程設(shè)計可以制造出極其纖薄的材料，以此消除“高度”這個維度的影響，但來自美國SLAC國家加速實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory）的團隊并沒有選擇這種方式。在研究一種新型超導(dǎo)體時，他們有了一些不尋常的發(fā)現(xiàn)。超導(dǎo)體是一種容許電流無阻力流動的物質(zhì)，可用于核磁共振設(shè)備、粒子加速器以及某些量子計算機。他們的樣品由鋇、鉛、鉍和氧等元素組成，具備完整的三維結(jié)構(gòu)。然而，使用高功率“量子”顯微鏡檢查后發(fā)現(xiàn)，材料中的電子無視了材料的三維結(jié)構(gòu)，形成了完美的平面條狀結(jié)構(gòu)。來自智利費德里科圣瑪利亞技術(shù)大學(xué)的卡羅萊納?帕拉（Carolina Parra，這項研究的主要作者）介紹說：“在沒有改變?nèi)魏挝锢砘瘜W(xué)特性，或者使用特定制造工藝的情況下，超導(dǎo)電子自發(fā)地坍縮到了這個二維系統(tǒng)中。”

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此前物理學(xué)家已經(jīng)推測過這種材料可能會具有他們無法測量的二維電子行為。但是最新的研究直接觀察到了這一行為。SLAC的物理學(xué)家哈里?馬諾哈蘭（Hari Manoharan，這項研究的共同作者）表示，透過研究人員的量子顯微鏡，“你可以獲取這個樣品在原子水平的物理參數(shù)信息。”要知道，“量子”顯微鏡可以探測被稱為量子隧穿效應(yīng)的現(xiàn)象：顯微鏡中的電子會試圖潛入樣品內(nèi)部，由此可以揭示超導(dǎo)體中單個原子及其電子的特征。

美國俄亥俄州立大學(xué)的物理學(xué)家南迪尼?特里維迪（Nandini Trivedi，并未參與這項研究）認為，以上觀測發(fā)現(xiàn)的二維電子世界將成為測試超導(dǎo)體理論的重要環(huán)境。特里維迪的研究方向是極薄超導(dǎo)體中電子形成眾多緊密結(jié)合的粒子島的現(xiàn)象。馬諾哈蘭團隊的成員曾觀測到電子自發(fā)地以同樣的方式組成二維結(jié)構(gòu)，而且，這種特殊的行為明顯比在特意設(shè)計為平面的材料中更明顯。

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精確定位電子在超導(dǎo)體中的具體行為有助于推動超導(dǎo)體材料的研究進展。大部分超導(dǎo)材料僅在冷卻到零下200℃以下時才會展現(xiàn)出超導(dǎo)性。SLAC的物理學(xué)家葆拉?希拉爾多-加略（Paula Giraldo-Gallo，這項研究的另一位共同作者）表示，這種要求在實際使用中是不現(xiàn)實的，但物理學(xué)家仍未找到可以讓超導(dǎo)材料在室溫下就展現(xiàn)其特性的改造手段。而在這項研究中，科學(xué)家觀測到部分緊密的電子團似乎表現(xiàn)出了超導(dǎo)性能，這個溫度完全出乎人們的預(yù)料。加略認為：“這種材料具備制成高溫超導(dǎo)體的潛力，不過具體什么因素能驅(qū)動研究進展，還是有待解決的問題?！被蛟S答案就藏在這項新研究的二維世界中。

撰文：卡爾梅拉?帕達維奇-卡拉漢（Karmela Padavic-Callaghan）

翻譯：董子晨曦

引進來源：環(huán)球科學(xué)

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