三维晶体中首次捕获电子，为探索超导性等稀有电子态打开大门

据最新一期《自然》杂志，美国麻省理工学院物理学家成功地在纯晶体中捕获到电子。这是科学家首次在三维（3D）材料中实现电子平带。通过一些化学操作，研究人员还展示了他们可将晶体转变为超导体。这一成果为科学家在3D材料中探索超导性和其他奇异电子态打开了大门。

麻省理工学院的物理学家在纯晶体中捕获了电子，这是在三维材料中首次实现电子平带。这种罕见的电子态得益于原子的特殊立方排列（如图）。
图片来源：论文作者里卡多·科明/麻省理工学院

每个电子都有自己的能量。但当一种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，仿佛合而为一。这种集体行为在物理学中被称为电子“平带”。科学家预测，当电子处于这种状态时，会受到其他电子量子效应的影响，并以协调的量子方式行动，然后就可能出现超导和独特形式的磁性等奇异行为。

由于晶体的原子几何结构，实现电子的俘获状态是可能的，这种合成晶体的原子排列方式类似于日本编篮艺术“笼目”中的图案。在这种特殊的几何结构中，电子并没有在原子之间跳跃，而是被“关在笼子里”，并稳定地处在相同能带中。

研究人员说，这种平带状态几乎可用任何原子组合来实现，只要它们排列在特定的3D“笼目”几何结构中即可。这一结果为科学家探索3D材料中的稀有电子态提供了一种新方法，将这些材料进一步优化，最终有望带来超高效率的输电线、超级计算量子位以及更快、更智能的电子设备。

研究人员在实验室用钙和镍合成了一种烧绿石晶体。通过角分辨光电子能谱，他们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，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材料的平带状态。

研究人员用铑和钌合成了相同的晶体几何结构，他们计算出，这种化学交换应该会将电子的平带转变为零能量，这种状态会自动导致超导。结果表明，当元素组合略有不同并合成一种新晶体时，在相同的类似笼目的3D几何结构中，晶体的电子显示出平带，并且出现超导状态。

电子会在导电材料中移动，大多数情况下，这些带电粒子都自顾自横冲直撞，并不与其他电子“做伴”，但有一种特殊情况，他们会统一行动出现电子平带。此次，物理学家就在纯晶体中捕获了它们这一状态，从而在3D材料中首次实现电子平带。这种罕见电子态的本质，可以为科学家了解3D材料中稀有电子态提供一种新方法。

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