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科學家發現一種「電子凍結」的異常晶體
在物質世界裡電子的奔波與交織構成了我們日常生活的基礎。然而﹐來自美國萊斯大學的物理學家們最近進行了一項實驗﹐展示了一種特殊的水晶結構其中電子被迫停止移動﹐從而創造出新奇的物質狀態。這一現象在二維材料中已被觀察到﹐但這是首次在三維晶體金屬格子被稱為「焦磷礦」的結構中觀察到。這種技術為研究者提供了一個全新的工具用以探索電子這些帶電粒子的非傳統行為。
萊斯大學的物理學家說﹕「我們尋找可能存在新物質狀態或新奇特性的材料。」電子的量子波動行為對於理解它們在特定條件下如何協調活動至關重要。當溫度降至足夠低時電子波可以相互聯合﹐通過量子糾纏穿越固體﹐創造出稱為超導體的高效能材料。
在這個焦磷礦結構中﹐電子的行為可以通過其他方式來管理。合適的元素比例組合會產生特殊的交叉點﹐這些交叉點類似交通燈﹐減少了原本可能是混亂的行人和通勤者的流動﹐這種現象被描述為「幾何挫折」。焦磷礦是一種複雜的礦物﹐具有公式化的結構使它們在許多研究和工業應用中都很有用。研究人員通過銅﹑釩和硫的混合物構造了這樣一種焦磷礦﹐這種金屬能夠將電子波導向瓶頸處。
a. 描繪了電子如何因相互作用和幾何限制在晶體中的特定能量層面(稱為能帶)上行為異常﹐形成了所謂的「平帶」﹐在這裡電子幾乎不移動。 b. 顯示了晶體的原子結構﹐不同顏色的球代表不同種類的原子﹐比如藍色的是銅(Cu)﹐紅色的是釩(V)﹐黃色的是硫(S)。 c. 是晶體中特定的原子排列結構﹐這種排列可能導致電子行為變得異常。
研究人員用一個比喻來解釋這個現象。就像當兩股水波在池塘中相遇時會產生一個不動的立波一樣﹐電子在這種特別設計的晶體中也會停止移動﹐因為它們的波動性質互相干擾。科學家們用一種高級儀器測量了這些電子﹐發現它們的行為跟平常不一樣﹐這可能會幫助我們更好地理解一些電子行為﹐比如超導。這項研究不只是理論上的﹐它還可能引領我們開發出新型的材料。
萊斯大學的物理學家則表示﹕「焦磷礦並不是唯一的選擇。這是一個新的設計原則﹐這樣的材料不僅限於一種﹐這個發現讓理論物理學家可以預測哪些材料會表現出這種特殊的電子行為。」。
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