麻省理工学院物理学家首次在三维晶体中捕获电子 有助于解开超导之谜

电子在导电材料中移动，就像曼哈顿高峰时段的上班族一样。这些带电粒子可能会相互碰撞，但在大多数情况下，它们与其他电子无关，各自带着自己的能量向前飞奔。但是，当一种材料的电子被困在一起时，它们就会进入完全相同的能量状态，并开始表现得像一个整体。科学家们预测，当电子处于这种状态时，它们会开始感受到其他电子的量子效应，并以协调的量子方式行动。然后，超导性和独特形式的磁性等奇异行为可能会出现。

发现三维平带

现在，麻省理工学院的物理学家成功地将电子困在了纯净的晶体中。这是科学家首次在三维材料中实现电子平带。通过一些化学操作，研究人员还表明他们可以将晶体转化为超导体--一种零电阻导电的材料。

这些成果为探索三维材料中的超导性和其他奇异电子状态打开了大门。

麻省理工学院物理学家首次在三维晶体中捕获电子 有助于解开超导之谜

麻省理工学院物理学家首次在三维晶体中捕获电子 有助于解开超导之谜

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这种罕见的电子状态得益于一种特殊的立方体原子排列（如图），这种排列类似于日本的"Kagome"编织篮艺术。图片来源：研究人员提供

由于晶体的原子几何结构，电子被困状态成为可能。物理学家合成的这种晶体的原子排列类似于日本编织艺术"kagome"中的编织图案。研究人员发现，在这种特定的几何结构中，电子不是在原子间跳跃，而是被"关在笼子里"，固定在同一能带上。

潜在应用和研究动机

研究人员说，这种平带状态几乎可以用任何原子组合来实现--只要它们以这种卡戈米启发的三维几何形状排列。这些成果于 11 月 8 日发表在《自然》（Nature）杂志上，为科学家探索三维材料中的稀有电子态提供了一种新方法。有朝一日，这些材料可能会被优化，以实现超高效电力线、超级计算量子比特以及更快、更智能的电子设备。

研究报告的作者、物理学副教授约瑟夫-格切尔斯基（Joseph Checkelsky）说："既然我们知道可以用这种几何形状制造出平面带，我们就有很大的动力去研究其他结构，这些结构可能具有其他新的物理特性，可以成为新技术的平台。"

Checkelsky在麻省理工学院的共同作者包括：研究生Joshua Wakefield、Mingu Kang、Paul Neves和博士后Dongjin Oh（他们是共同第一作者）；研究生Tej Lamichhane和Alan Chen；博士后Shiang Fang和Frank Zhao；本科生Ryan Tigue； 核科学与工程学副教授李明达、物理学副教授里卡多-科明（他与查尔斯基合作指导了这项研究）以及其他多个实验室和机构的合作者。

设置三维陷阱

近年来，物理学家已经成功地在二维材料中捕获电子并确认其电子平带状态。但科学家们发现，被困在二维中的电子很容易从三维中逃逸出来，这使得平带态难以在二维中维持。

在他们的新研究中，Checkelsky、Comin 和他们的同事希望在三维材料中实现平带，这样电子就会被困在所有三个维度中，任何奇异的电子状态都能得到更稳定的维持。他们认为，"Kagome"可能会在其中发挥作用。

在之前的工作中，科学家们观察到二维原子晶格中的电子被捕获，这种晶格类似于一些可果美的图案。当原子排列成相互连接、共用边角的三角形图案时，电子被限制在三角形之间的六边形空间内，而不是在晶格中跳跃。但是，和其他研究人员一样，研究人员发现电子可以向上逸出晶格，穿过三维空间。

研究小组想知道 由类似晶格组成的三维结构能否将电子封闭起来？他们在材料结构数据库中寻找答案，发现了一种原子的特定几何构型，一般被归类为火成岩--一种原子几何高度对称的矿物。火成岩的三维原子结构形成了一个重复的立方体图案，每个立方体的表面都像一个Kagome状的晶格。他们发现，从理论上讲，这种几何结构可以有效地将电子俘获在每个立方体中。

为了验证这一假设，研究人员在实验室中合成了一种烧绿石晶体。

"这与自然界制造晶体的方式并无二致，"Checkelsky 解释说。"我们把某些元素放在一起--在本例中是钙和镍--在极高的温度下熔化它们，然后冷却，原子本身就会排列成这种晶体状的Kagome构造。"

随后，他们测量了晶体中单个电子的能量，看它们是否确实属于同一平坦的能量带。要做到这一点，研究人员通常要进行光发射实验，在实验中，他们将单个光子照射到样品上，进而发射出单个电子。然后，探测器可以精确测量单个电子的能量。

科学家利用光发射来确认各种二维材料中的平带状态。由于这些材料在物理上是平面的、二维的，因此使用标准激光进行测量相对简单。但对于三维材料来说，这项任务更具挑战性。

科明解释说："这个实验通常需要一个非常平整的表面。但如果你观察一下这些三维材料的表面，它们就像落基山脉一样，呈现出非常波状的地貌。在这些材料上进行实验非常具有挑战性，这也是没有人证明它们能承载被困电子的部分原因"。

研究小组利用角度分辨光发射光谱（ARPES）清除了这一障碍，这种超聚焦光束能够瞄准凹凸不平的三维表面上的特定位置，并测量这些位置上的单个电子能量。这就像直升机在非常小的垫子上着陆一样，在岩石上到处都是。

利用 ARPES，研究小组在大约半小时内测量了合成晶体样品上数千个电子的能量。他们发现，绝大多数晶体中的电子表现出完全相同的能量，这证实了三维材料的平带状态。

迈向超导

为了了解他们能否操纵配位电子进入某种奇特的电子状态，研究人员合成了相同的晶体几何形状，这次用铑和钌原子代替了镍原子。根据纸上计算，研究人员认为这种化学交换应该将电子的平带转移到零能--一种自动导致超导的状态。

而事实上，他们发现，当他们用略微不同的元素组合，在相同的卡戈米式三维几何中合成出一种新晶体时，晶体的电子呈现出平带，这次是超导状态。

科明说："这为我们思考如何找到新的、有趣的量子材料提供了一种新的范式。我们发现，有了这种可以捕获电子的原子排列的特殊成分，我们总能找到这些平带。这不仅仅是运气好。从这一点出发，我们面临的挑战是如何进行优化，以实现平带材料的承诺，从而有可能在更高温度下维持超导性。"