實體學家首次在3D晶體中捕獲電子

麻省理工學院的實體學家們在一個純晶體中捕獲了電子，這标志着在三維材料中首次實作了電子平帶。這種罕見的電子狀态是由于原子的特殊立方排列(如圖)，類似于日本的藝術“kagome”。這一結果為科學家探索3D材料中的稀有電子态提供了新的途徑。來源:Joseph Checkelsky, Riccardo Comin等人

電子在導電材料中移動，就像曼哈頓高峰時段的通勤者一樣。帶電粒子可能會互相擠壓和碰撞，但在大多數情況下，它們不關心其他電子，因為它們各自帶着自己的能量向前沖。

但是當一種材料的電子被困在一起時，它們可以進入相同的能量狀态，并表現得像一個。在實體學中，這種集體的、類似僵屍的狀态被稱為電子“平帶”。科學家預測，當電子處于這種狀态時，它們可以開始感受到其他電子的量子效應，并以協調的量子方式行動。然後，奇異的行為，如超導性和獨特的磁性形式可能會出現。

現在，麻省理工學院的實體學家已經成功地将電子捕獲在純晶體中。這是科學家首次在三維材料中實作電子平面帶。通過一些化學操作，研究人員還展示了他們可以将晶體轉化為超導體——一種零電阻導電的材料。

晶體的原子幾何結構使得電子的俘獲狀态成為可能。實體學家合成的這種晶體，其原子排列方式類似于日本編織籃子藝術“kagome”中的編織圖案。在這種特殊的幾何結構中，研究人員發現電子被“關在籠子裡”，而不是在原子之間跳躍，并固定在同一能帶上。

研究人員說，這種平帶狀态幾乎可以通過任何原子組合來實作——隻要它們按照這種受kagome啟發的三維幾何形狀排列。發表在《自然》雜志上的研究結果為科學家探索三維材料中的稀有電子态提供了一條新途徑。這些材料可能有一天會被優化，以實作超高效的電力線、超級計算量子比特和更快、更智能的電子裝置。

“現在我們知道我們可以從這種幾何形狀中制造出平坦的帶，我們有很大的動力去研究其他可能具有其他新實體特性的結構，這些結構可能成為新技術的平台，”研究作者、實體學副教授約瑟夫·切克爾斯基說。

設定3d陷阱

近年來，實體學家已經成功地捕獲了二維材料中的電子，并證明了它們的電子平帶狀态。然而，科學家們發現，被困在二維中的電子很容易從第三維中逃逸出來，這使得平面帶狀态難以在二維中保持。

在他們的新研究中，Checkelsky, Comin和他們的同僚們希望在3D材料中實作平面帶，這樣電子就可以在所有三個次元中被捕獲，任何外來的電子狀态都可以更穩定地保持。他們認為kagome模式可能起了作用。

在之前的工作中，研究小組觀察到二維原子晶格中被困的電子，類似于一些kagome設計。當原子被排列成互相連接配接的三角形時，電子被限制在三角形之間的六邊形空間内，而不是在晶格上跳躍。但是，和其他人一樣，研究人員發現，電子可以通過第三次元從晶格中逃逸出來。

研究小組想知道:類似晶格的三維結構是否可以将電子包裹起來?他們在材料結構資料庫中尋找答案，發現了一種特定的原子幾何結構，通常被歸類為焦綠石——一種具有高度對稱原子幾何結構的礦物。pychlore的原子三維結構形成了一個重複的立方體圖案，每個立方體的表面類似于kagom狀的晶格。他們發現，理論上，這種幾何結構可以有效地捕獲每個立方體内的電子。

岩石降落

為了驗證這一假設，研究人員在實驗室合成了一種焦綠石晶體。

切克爾斯基解釋說:“這與自然界制造晶體的方式沒有什麼不同。”“我們把某些元素放在一起——在這種情況下，鈣和鎳——在非常高的溫度下融化它們，冷卻它們，原子自己會排列成這種晶體，類似于kagome的結構。”

然後，他們測量了晶體中單個電子的能量，看看它們是否落入了同一個平坦的能量帶。為了做到這一點，研究人員通常會進行光發射實驗，在實驗中，他們将單個光子照射到樣品上，進而釋放出單個電子。探測器可以精确地測量單個電子的能量。

科學家們已經利用光電發射來确認各種二維材料的平帶狀态。由于它們的實體平面，二維性質，這些材料使用标準雷射測量相對簡單。但對于3D材料來說，這項任務更具挑戰性。

“對于這個實驗，你通常需要一個非常平坦的表面，”Comin解釋說。“但如果你看一下這些3D材料的表面，它們就像落基山脈，有着起伏不平的地貌。這些材料的實驗非常具有挑戰性，這也是沒有人證明它們含有捕獲電子的部分原因。”

該團隊利用角度分辨光發射光譜(ARPES)清除了這一障礙，這是一種超聚焦光束，能夠瞄準不均勻3D表面上的特定位置，并測量這些位置上的單個電子能量。

科明說:“這就像一架直升機降落在非常小的平台上，所有這些都是在這片岩石景觀上。”

利用ARPES，研究小組在大約半小時内測量了合成晶體樣品中數千個電子的能量。他們發現，絕大多數晶體的電子表現出相同的能量，證明了3D材料的平帶狀态。

為了看看他們是否能操縱這些協調電子進入某種奇異的電子狀态，研究人員合成了相同的晶體幾何形狀，這次用铑和钌原子代替鎳原子。在紙上，研究人員計算出這種化學交換應該将電子的平帶轉移到零能量-一種自動導緻超導的狀态。

事實上，他們發現，當他們合成一種元素組合略有不同的新晶體時，晶體的電子呈現出一條平坦的帶，這一次是在超導狀态下。

科明說:“這為思考如何尋找新的、有趣的量子材料提供了一個新的範例。”“我們證明，這種原子排列的特殊成分可以捕獲電子，我們總能找到這些平坦的帶。這不僅僅是一個幸運的打擊。從這一點來看，我們面臨的挑戰是如何優化平帶材料，以實作其在更高溫度下保持超導性的潛力。”

更多資訊:Joseph Checkelsky等人，焦綠金屬中的三維平面帶CaNi2, Nature(2023)。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06640 - 1。www.nature.com/articles/s41586 - 023 - 06640 - 1

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