科學(xué)研究:“二維化”的電子
發(fā)布時(shí)間:2021-07-01
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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(cè)到了這樣一個(gè)現(xiàn)象。這是一個(gè)隱藏在真實(shí)超導(dǎo)材料中的平面世界。在《美國(guó)科學(xué)院院刊》(PNAS)中,研究人員報(bào)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(gè)空間維度中,包括長(zhǎng)度、寬度和高度??茖W(xué)家利用工程設(shè)計(jì)可以制造出極其纖薄的材料,以此消除“高度”這個(gè)維度的影響,但來自美國(guó)SLAC國(guó)家加速實(shí)驗(yàn)室(SLAC National Accelerator Laboratory)的團(tuán)隊(duì)并沒有選擇這種方式。在研究一種新型超導(dǎo)體時(shí),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(dòng)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(jì)算機(jī)。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(fèi)德里科圣瑪利亞技術(shù)大學(xué)的卡羅萊納?帕拉(Carolina Parra,這項(xiàng)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(gè)二維系統(tǒng)中?!?/span>


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此前物理學(xué)家已經(jīng)推測(cè)過這種材料可能會(huì)具有他們無法測(cè)量的二維電子行為。但是最新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(xiàng)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(gè)樣品在原子水平的物理參數(shù)信息?!币溃傲孔印憋@微鏡可以探測(cè)被稱為量子隧穿效應(yīng)的現(xiàn)象:顯微鏡中的電子會(huì)試圖潛入樣品內(nèi)部,由此可以揭示超導(dǎo)體中單個(gè)原子及其電子的特征。

美國(guó)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(xiàng)研究)認(rèn)為,以上觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的二維電子世界將成為測(cè)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(tuán)隊(duì)的成員曾觀測(cè)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(jì)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(dòng)超導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展。大部分超導(dǎo)材料僅在冷卻到零下200℃以下時(shí)才會(huì)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(xiàng)研究的另一位共同作者)表示,這種要求在實(shí)際使用中是不現(xiàn)實(shí)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(xiàng)研究中,科學(xué)家觀測(cè)到部分緊密的電子團(tuán)似乎表現(xiàn)出了超導(dǎo)性能,這個(gè)溫度完全出乎人們的預(yù)料。加略認(rèn)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(dòng)研究進(jìn)展,還是有待解決的問題?!被蛟S答案就藏在這項(xiàng)新研究的二維世界中。

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

翻譯:董子晨曦

引進(jìn)來源:環(huán)球科學(xué)




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