“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

关联电子研究是基础物理学的一个分支，主要是研究金属中电子之间的相互作用。理解了电子之间的相互作用和它们产生的独特性质，可能带来新材料和新技术方面的革命性突破。但研究的关键是通过实验证明从微观层面实际探测到这些相互作用和性质。

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。”

查看本帖完整版本: [-- “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 --] [-- top --]