物理学家首次将电子捕获在3D晶体中

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，它们在向前冲时与其他电子无关，每个电子都有自己的能量。

但是，当材料的电子被困在一起时，它们可以进入完全相同的能量状态并开始表现为一体。这种集体的、类似僵尸的状态在物理学中被称为电子“平带”，科学家们预测，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，可能会出现奇异的行为，例如超导性和独特的磁性形式。

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化为超导体 – 一种以零电阻导电的材料。

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具有类似于日本篮子编织艺术“kagome”中的编织图案的原子排列。在这种特定的几何形状中，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”，并沉淀在同一能量带中。

研究人员说，这种平带状态几乎可以用任何原子组合来实现——只要它们排列在这种受戈薇启发的3D几何形状中。今天发表在 《自然》杂志上的研究结果为科学家探索三维材料中罕见的电子状态提供了一种新途径。有朝一日，这些材料可能会被优化，以实现超高效的电力线、超级计算量子比特以及更快、更智能的电子设备。

“现在我们知道我们可以用这种几何形状制造一个平带，我们有很大的动力去研究其他结构，这些结构可能具有其他新的物理学，可以成为新技术的平台，”研究作者，物理学副教授Joseph Checkelsky说。

Checkelsky在麻省理工学院的合著者包括研究生Joshua Wakefield，Mingu Kang和Paul Neves，以及博士后Dongjin Oh，他们是共同的主要作者;研究生Tej Lamichhane和Alan Chen;博士后 Shiang Fang 和 Frank Zhao;本科生Ryan Tigue;核科学与工程副教授李明达;物理学副教授里卡多·科明（Riccardo Comin）与Checkelsky合作指导了这项研究;以及多个其他实验室和机构的合作者。

设置 3D 陷阱

近年来，物理学家成功地捕获了电子，并证实了它们在二维材料中的电子平带状态。但科学家们发现，被困在二维空间中的电子可以很容易地逃逸出三维空间，这使得平带状态难以在二维空间中维持。

在他们的新研究中，Checkelsky，Comin和他们的同事希望在3D材料中实现扁平带，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状态都可以更稳定地保持。他们有一个想法，戈薇模式可能会发挥作用。

在之前的工作中，该团队观察到二维原子晶格中的捕获电子，类似于一些可果女设计。当原子以相互连接、共享角的三角形模式排列时，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，像其他人一样，研究人员发现电子可以通过第三维向上逃逸出晶格。

该团队想知道：类似晶格的3D配置能否在电子中装箱？他们在材料结构数据库中寻找答案，并发现了原子的某种几何构型，通常归类为火绿石——一种具有高度对称原子几何形状的矿物。腐甲胺的原子3D结构形成了一个重复的立方体图案，每个立方体的表面都类似于一个类似kagome的晶格。他们发现，从理论上讲，这种几何形状可以有效地将电子捕获在每个立方体中。

岩石着陆

为了验证这一假设，研究人员在实验室中合成了一种火绿石晶体。

“这与自然界制造晶体的方式没有什么不同，”Checkelsky解释道。“我们将某些元素放在一起 – 在这种情况下，钙和镍 – 在非常高的温度下熔化它们，冷却它们，原子本身将排列成这种晶体，类似kagome的构型。

然后，他们研究测量晶体中单个电子的能量，看看它们是否确实落入了相同的平坦能量带。为此，研究人员通常会进行光发射实验，他们将单个光子照射到样品上，然后踢出单个电子。然后，探测器可以精确测量单个电子的能量。

科学家们已经使用光发射来确认各种二维材料中的平带状态。由于这些材料具有物理上平坦的二维性质，因此使用标准激光测量起来相对简单。但对于3D材质来说，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解释道。“但如果你看一下这些3D材料的表面，它们就像落基山脉一样，有着非常波纹状的景观。这些材料的实验非常具有挑战性，这也是没有人证明它们拥有被俘电子的部分原因。

该团队通过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，能够瞄准不平坦的3D表面上的特定位置，并测量这些位置的单个电子能量。

“这就像一架直升机降落在非常小的垫子上，遍布这片岩石景观，”科明说。

借助ARPES，该团队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，绝大多数情况下，晶体中的电子表现出完全相同的能量，证实了3D材料的平带状态。

为了看看他们是否可以将配位电子操纵成某种奇特的电子状态，研究人员合成了相同的晶体几何形状，这次是用铑和钌原子代替镍。在纸面上，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，当他们合成一种新的晶体时，元素组合略有不同，具有相同的可果女3D几何形状，晶体的电子表现出平带，这次是在超导状态下。

“这为思考如何找到新的和有趣的量子材料提供了一种新的范式，”Comin说。“我们发现，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，挑战在于优化以实现平带材料的承诺，有可能在更高的温度下维持超导性。