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“电荷有序”秘密“曝光” ——基础物理学发现为新材料开发指引方向 为此，美国加州理工大学物理学教授托马斯·罗森鲍姆和芝加哥大学、阿尔贡国家实验室的同行利用同步加速器X射线源研究了金属中电子排列的不稳定性，发现这种不稳定性是温度和压力的函数，首次揭示了产生不稳定性的原因。相关论文发表在近日的《自然·物理学》杂志上。 超导下的电子行为 在原子内部，电子轨道排列成一层层的球壳。虽然它们通常被视为一个整体，但实际上各层轨道代表的是分布概率——在某元素中，电子以某种可能性出现的空间区域，有着特定的能量。某种元素中的特征电子构型决定了元素的独特性质。 关联电子研究是观察电子亚层。比如金属，最外层电子轨道未被填满，电子可以自由地从一个原子移动到另一个原子，所以金属具有良好的导电性。虽然金属原子被紧紧挤在晶格（或晶体）中，但这些电子却混在一起形成一片电子“海洋”。如金属元素汞在室温下是液态的，部分原因就在于其电子构型，这种电子构型对电流的阻碍极小。在4K（零下269.15摄氏度）时，汞的电子排布及其他性质产生了公共电子，电阻消失，这时的状态称为超导。 汞的超导性及类似现象是由于存在大量相关电子对。在超导状态下，相关电子对通过晶格中的声子激发（一种周期性的、原子的整体激发），形成一种灵活而可伸缩的整体状态，由此电子能以这种灵活状态共同移动通过材料，而没有能量损失。 压力制约“电荷有序” 金属中的“电荷有序”（charge order）是电子“海洋”的一种基本不稳定性。电荷有序是指正负电荷按照一定的方向进行排序。一般的情况下，材料中的正负电荷都是杂乱无章的，所以我们接触物品时不会有被电的感觉。 电荷有序化通常与超导有关，许多材料都会产生电荷有序。但这种现象是如何产生的？为了“看到”电荷有序是怎样产生的，研究小组利用了阿尔贡实验室的先进光源。该光源是一种同步加速器，能产生强X射线束用于X射线衍射研究，X射线分散的形状提供了电子结构的信息。在实验中，他们利用X射线束研究了两种金属——铬和二硒化铌中的电荷有序现象，压力从0（真空）到100千巴（10万倍正常大气压），温度从3K到300K（零下270.15摄氏度到26.85摄氏度）。选择二硒化铌是因为其电荷的有序度很高，选择铬是因其自旋有序度很高。 研究人员发现，在晶体内部，压力和公共电子的自组织方式之间存在单纯的相关性，晶体结构完全不同的材料也表现出相同性质。罗森鲍姆说：“人们早就知道电荷有序和自旋有序现象，但迄今为止还不了解其背后的机制。” 有助于研究超导磁性 当贝尔实验室1947年发明晶体管的时候，很少人能预见到这一设备对未来的影响。这一科学与工程的基础性进步是发明手持式无线电、带来现代计算的关键，从而让智能手机这样的技术成为可能。这正是基础研究价值的一个体现。 罗森鲍姆和同事指出，他们的结果虽然不能直接应用，但“这一发现对研究新材料以及产生磁性状态的相互作用是有用的，这种磁性状态通常是超导的前兆”。 “这类研究的吸引力在于，提出自然界中普遍存在的基本问题。”罗森鲍姆说，“我觉得，这正是加州理工大学的传统：致力于开发出探索物质的新工具，从基本方面来揭示问题。能从普遍的微观层面取得最强的突破，这才是真正的力量。” 论文合著者、阿尔贡实验室的冯业军（音译）说：“我们花了10年时间开发仪器来完成这些研究。现在我们拥有独一无二的研究能力。” 分享到：
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