科學研究：“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，近期科學家卻觀測到了這樣一個現象。這是一個隱藏在真實超導材料中的平面世界。在《美國科學院院刊》（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?？茖W家利用工程設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體時，他們有了一些不尋常的發(fā)現。超導體是一種容許電流無阻力流動的物質，可用于核磁共振設備、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，具備完整的三維結構。然而，使用高功率“量子”顯微鏡檢查后發(fā)現，材料中的電子無視了材料的三維結構，形成了完美的平面條狀結構。來自智利費德里科圣瑪利亞技術大學的卡羅萊納?帕拉（Carolina Parra，這項研究的主要作者）介紹說：“在沒有改變任何物理化學特性，或者使用特定制造工藝的情況下，超導電子自發(fā)地坍縮到了這個二維系統(tǒng)中?！?/span>

圖片來源：Pixabay

此前物理學家已經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信息?！币?，“量子”顯微鏡可以探測被稱為量子隧穿效應的現象：顯微鏡中的電子會試圖潛入樣品內部，由此可以揭示超導體中單個原子及其電子的特征。

美國俄亥俄州立大學的物理學家南迪尼?特里維迪（Nandini Trivedi，并未參與這項研究）認為，以上觀測發(fā)現的二維電子世界將成為測試超導體理論的重要環(huán)境。特里維迪的研究方向是極薄超導體中電子形成眾多緊密結合的粒子島的現象。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構，而且，這種特殊的行為明顯比在特意設計為平面的材料中更明顯。

圖片來源：Pixabay

精確定位電子在超導體中的具體行為有助于推動超導體材料的研究進展。大部分超導材料僅在冷卻到零下200℃以下時才會展現出超導性。SLAC的物理學家葆拉?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實的，但物理學家仍未找到可以讓超導材料在室溫下就展現其特性的改造手段。而在這項研究中，科學家觀測到部分緊密的電子團似乎表現出了超導性能，這個溫度完全出乎人們的預料。加略認為：“這種材料具備制成高溫超導體的潛力，不過具體什么因素能驅動研究進展，還是有待解決的問題。”或許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

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