物理学家首次在3D晶体中捕获电子
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推挤和碰撞，但在大多数情况下，它们在向前猛冲时并不关心其他电子，每个电子都有自己的能量。
但是当一种材料的电子被捕获在一起时，它们可以进入完全相同的能态并开始表现得像一个。这种集体的、僵尸般的状态就是物理学中所谓的电子“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起作用。然后，超导性和独特形式的磁性等奇异行为可能会出现。
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带。通过一些化学操作，研究人员还表明他们可以将晶体转变为超导体——一种零电阻导电的材料。
由于晶体的原子几何形状，电子的俘获状态是可能的。物理学家合成的晶体的原子排列类似于日本篮子编织艺术“kagome”中的编织图案。在这种特定的几何结构中，研究人员发现电子不是在原子之间跳跃，而是被“关在笼子里”，并定居在同一能带中。
研究人员表示，这种平带态实际上可以通过任何原子组合来实现——只要它们按照这种受戈薇启发的 3D 几何形状排列即可。该结果发表在 《自然》杂志上，为科学家探索三维材料中稀有电子态提供了一种新方法。这些材料有一天可能会经过优化，以实现超高效的电力线、超级计算量子位以及更快、更智能的电子设备。
研究作者、物理学副教授约瑟夫·切克尔斯基 (Joseph Checkelsky) 表示：“既然我们知道可以用这种几何形状制作出扁平带，我们就有很大的动力去研究可能具有其他新物理特性的其他结构，这些新物理可以成为新技术的平台。” 。
Checkelsky 的麻省理工学院合著者包括研究生 Joshua Wakefield、Mingu Kang 和 Paul Neves，以及博士后 Dongjin Oh，他们是共同主要作者;研究生 Tej Lamichane 和 Alan Chen;博士后方翔和赵弗兰克;本科生瑞恩·蒂格;核科学与工程副教授李明达;物理学副教授 Riccardo Comin 与 Checkelsky 合作指导了这项研究;与多个其他实验室和机构的合作者一起。
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近年来，物理学家成功捕获了电子，并证实了它们在二维材料中的电子平带态。但科学家发现，被困在二维中的电子很容易逃出第三维，使得平带态难以在二维中维持。
在他们的新研究中，Checkelsky、Comin 和他们的同事希望在 3D 材料中实现平带，这样电子就会被困在所有三个维度中，并且任何奇异的电子态都可以更稳定地维持。他们认为戈薇图案可能会发挥作用。
在 之前的工作中，该团队观察到了类似于戈薇设计的二维原子晶格中被捕获的电子。当原子排列成相互连接、共享角的三角形图案时，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三维空间向上逃逸出晶格。
该团队想知道：类似晶格的 3D 配置能否将电子装进盒子中?他们在材料结构数据库中寻找答案，并发现了某种原子几何结构，通常被归类为烧绿石——一种具有高度对称原子几何结构的矿物。烧绿石的原子 3D 结构形成了立方体的重复图案，每个立方体的表面类似于戈薇状晶格。他们发现，理论上，这种几何形状可以有效地将电子捕获在每个立方体内。
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为了验证这一假设，研究人员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结晶的、戈薇状的结构。”
然后，他们测量晶体中单个电子的能量，看看它们是否确实落入相同的平带能量中。为此，研究人员通常会进行光电发射实验，将单个光子照射到样品上，从而踢出单个电子。然后探测器可以精确测量单个电子的能量。
科学家们利用光电子发射来确认各种二维材料中的平带态。由于它们的物理平坦、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，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，”科明解释道。“但是如果你观察这些 3D 材料的表面，它们就像落基山脉一样，具有非常波纹的景观。对这些材料进行的实验非常具有挑战性，这也是没有人证明它们具有俘获电子的部分原因。”
该团队利用角分辨光电子能谱 (ARPES) 克服了这一障碍，这是一种超聚焦光束，能够瞄准不平坦 3D 表面上的特定位置，并测量这些位置处的单个电子能量。
“这就像将直升机降落在非常小的停机坪上，遍布这片岩石景观，”科明说。
利用 ARPES，该团队在大约半小时内测量了合成晶体样品上数千个电子的能量。他们发现，绝大多数晶体中的电子表现出完全相同的能量，证实了 3D 材料的平带态。
为了看看他们是否可以操纵配位电子进入某种奇异的电子态，研究人员合成了相同的晶体几何形状，这次用的是铑和钌原子而不是镍。研究人员在纸面上计算出，这种化学交换应该将电子的平带转变为零能量——这种状态会自动导致超导。
事实上，他们发现，当他们在相同的戈薇式 3D 几何结构中合成一种元素组合略有不同的新晶体时，晶体的电子表现出平带，这次处于超导状态。
“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，”科明说。“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，面临的挑战是如何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。”
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