物理学家首次在3D晶体中捕获电子

麻省理工学院的物理学家们在一个纯晶体中捕获了电子，这标志着在三维材料中首次实现了电子平带。这种罕见的电子状态是由于原子的特殊立方排列(如图)，类似于日本的艺术“kagome”。这一结果为科学家探索3D材料中的稀有电子态提供了新的途径。来源:Joseph Checkelsky, Riccardo Comin等人

电子在导电材料中移动，就像曼哈顿高峰时段的通勤者一样。带电粒子可能会相互挤压和碰撞，但在大多数情况下，它们不关心其他电子，因为它们各自带着自己的能量向前冲。

但是当一种材料的电子被困在一起时，它们可以进入相同的能量状态，并表现得像一个。在物理学中，这种集体的、类似僵尸的状态被称为电子“平带”。科学家预测，当电子处于这种状态时，它们可以开始感受到其他电子的量子效应，并以协调的量子方式行动。然后，奇异的行为，如超导性和独特的磁性形式可能会出现。

现在，麻省理工学院的物理学家已经成功地将电子捕获在纯晶体中。这是科学家首次在三维材料中实现电子平面带。通过一些化学操作，研究人员还展示了他们可以将晶体转化为超导体——一种零电阻导电的材料。

晶体的原子几何结构使得电子的俘获状态成为可能。物理学家合成的这种晶体，其原子排列方式类似于日本编织篮子艺术“kagome”中的编织图案。在这种特殊的几何结构中，研究人员发现电子被“关在笼子里”，而不是在原子之间跳跃，并固定在同一能带上。

研究人员说，这种平带状态几乎可以通过任何原子组合来实现——只要它们按照这种受kagome启发的三维几何形状排列。发表在《自然》杂志上的研究结果为科学家探索三维材料中的稀有电子态提供了一条新途径。这些材料可能有一天会被优化，以实现超高效的电力线、超级计算量子比特和更快、更智能的电子设备。

“现在我们知道我们可以从这种几何形状中制造出平坦的带，我们有很大的动力去研究其他可能具有其他新物理特性的结构，这些结构可能成为新技术的平台，”研究作者、物理学副教授约瑟夫·切克尔斯基说。

设置3d陷阱

近年来，物理学家已经成功地捕获了二维材料中的电子，并证实了它们的电子平带状态。然而，科学家们发现，被困在二维中的电子很容易从第三维中逃逸出来，这使得平面带状态难以在二维中保持。

在他们的新研究中，Checkelsky, Comin和他们的同事们希望在3D材料中实现平面带，这样电子就可以在所有三个维度中被捕获，任何外来的电子状态都可以更稳定地保持。他们认为kagome模式可能起了作用。

在之前的工作中，研究小组观察到二维原子晶格中被困的电子，类似于一些kagome设计。当原子被排列成相互连接的三角形时，电子被限制在三角形之间的六边形空间内，而不是在晶格上跳跃。但是，和其他人一样，研究人员发现，电子可以通过第三维度从晶格中逃逸出来。

研究小组想知道:类似晶格的三维结构是否可以将电子包裹起来?他们在材料结构数据库中寻找答案，发现了一种特定的原子几何结构，通常被归类为焦绿石——一种具有高度对称原子几何结构的矿物。pychlore的原子三维结构形成了一个重复的立方体图案，每个立方体的表面类似于kagom状的晶格。他们发现，理论上，这种几何结构可以有效地捕获每个立方体内的电子。

岩石降落

为了验证这一假设，研究人员在实验室合成了一种焦绿石晶体。

切克尔斯基解释说:“这与自然界制造晶体的方式没有什么不同。”“我们把某些元素放在一起——在这种情况下，钙和镍——在非常高的温度下融化它们，冷却它们，原子自己会排列成这种晶体，类似于kagome的结构。”

然后，他们测量了晶体中单个电子的能量，看看它们是否落入了同一个平坦的能量带。为了做到这一点，研究人员通常会进行光发射实验，在实验中，他们将单个光子照射到样品上，从而释放出单个电子。探测器可以精确地测量单个电子的能量。

科学家们已经利用光电发射来确认各种二维材料的平带状态。由于它们的物理平面，二维性质，这些材料使用标准激光测量相对简单。但对于3D材料来说，这项任务更具挑战性。

“对于这个实验，你通常需要一个非常平坦的表面，”Comin解释说。“但如果你看一下这些3D材料的表面，它们就像落基山脉，有着起伏不平的地貌。这些材料的实验非常具有挑战性，这也是没有人证明它们含有捕获电子的部分原因。”

该团队利用角度分辨光发射光谱(ARPES)清除了这一障碍，这是一种超聚焦光束，能够瞄准不均匀3D表面上的特定位置，并测量这些位置上的单个电子能量。

科明说:“这就像一架直升机降落在非常小的平台上，所有这些都是在这片岩石景观上。”

利用ARPES，研究小组在大约半小时内测量了合成晶体样品中数千个电子的能量。他们发现，绝大多数晶体的电子表现出相同的能量，证实了3D材料的平带状态。

为了看看他们是否能操纵这些协调电子进入某种奇异的电子状态，研究人员合成了相同的晶体几何形状，这次用铑和钌原子代替镍原子。在纸上，研究人员计算出这种化学交换应该将电子的平带转移到零能量-一种自动导致超导的状态。

事实上，他们发现，当他们合成一种元素组合略有不同的新晶体时，晶体的电子呈现出一条平坦的带，这一次是在超导状态下。

科明说:“这为思考如何寻找新的、有趣的量子材料提供了一个新的范例。”“我们证明，这种原子排列的特殊成分可以捕获电子，我们总能找到这些平坦的带。这不仅仅是一个幸运的打击。从这一点来看，我们面临的挑战是如何优化平带材料，以实现其在更高温度下保持超导性的潜力。”

更多信息:Joseph Checkelsky等人，焦绿金属中的三维平面带CaNi2, Nature(2023)。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06640 - 1。www.nature.com/articles/s41586 - 023 - 06640 - 1

期刊信息:Nature