[涨姿势] 电子首次被困在 3D 晶体中

作者：精品下载站日期：2024-12-13 16:27:26 浏览：14 分类：涨姿势

电子首次被困在 3D 晶体中

然后晶体变成了超导体。

晶格中特定的几何结构产生了独特的电子配置。

图片来源：由麻省理工学院新闻研究人员提供

研究人员首次能够将电子捕获在三维晶体中，这一突破使他们能够开始研究电子在电子“平带”状态下产生的量子效应，其中包括超导性。

穿过 3D 材料的电子会以不同的方式与其原子晶格相互作用，因此电子的动能通常用范围或能带来定义。如果电子的能带是平坦的，则意味着能级为零——其能量与与晶格的相互作用无关。简单地说，该电子的速度为零，并被困在特定位置周围。

当电子处于平带时，它仍然与其位置周围原子的电子相互作用。当电子移动到材料上时，这些相互作用的能量太小，几乎可以忽略不计，但当电子被固定在适当的位置时，它们突然变得很重要。奇特的量子特性变得明显，例如超导性和其他有趣的电磁特性。

在新工作中，研究人员证明可以创建 3D 平带，在所有三个维度上捕获电子。他们使用了日本传统篮子编织艺术中使用的 3D 戈薇形格子。类似的 2D 晶格已经展示了平带电子，因此团队认为这是成功创建 3D 晶格的一种方法。

“现在我们知道我们可以用这种几何形状制作一个平坦的带，我们有很大的动力去研究其他可能具有其他新物理学的结构，这些新物理学可以成为新技术的平台，”研究作者、物理学副教授约瑟夫·切克尔斯基（Joseph Checkelsky）说。麻省理工学院在一份声明中说。

通过进行化学修饰，该系统变成了超导体。这是一种电子可以无阻力流动的材料。为了制造这种晶体，该团队在实验室合成了烧绿石晶体。

“这与大自然制造晶体的方式没有什么不同，”切克尔斯基解释道。 “我们将某些元素放在一起——在这种情况下是钙和镍——在非常高的温度下熔化它们，冷却它们，原子本身就会排列成这种晶体、戈薇状的结构。 ”

用铑和钌原子代替镍原子，会产生相同的几何结构，但将平带的值推向零能量（不仅仅是零速度）——这就是超导发生的地方。

“这提供了一个新的范式来思考如何寻找新的、有趣的量子材料，”合著者、物理学教授里卡多·科明补充道。 “我们证明，利用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坦的带。这不仅仅是一次幸运的打击。从现在开始，面临的挑战是进行优化以实现平带材料的承诺，从而有可能在更高的温度下维持超导性。 ”

这些晶体或其他类似晶体有一天可能会经过优化，以构建超高效的电力线、创建强大的量子计算机，甚至更快的电子设备。

该研究发表在《自然》杂志上。