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麻省理工科研团队成功观察到电子晶体及其融化行为
发布:s0208_2016   时间:2017/1/4 9:50:11   阅读:257 
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图片来源:Jose-Luis Olivares/MIT (Wigner crystal image courtesy of Arunas.rv/CC BY-SA 3.0)
 
麻省理工学院的研究人员相信他们最终成功捕获了电子晶体融化的过程,有序的晶体结构电子融化成无序的液体——量子力学中的相变现象,通过量子交互作用,电子形成晶体结构并在一定条件下最终融化成无序的液体。

近日,来自美国麻省理工学院的物理学家们在一个半导体材料内观察到了一种高度有序的电子晶体并记录下了其熔融行为,其过程就像是凝结的冰融化成水一样。这一观察有力的证实了量子力学中存在着基本的相变现象,值得一提的是,这些量子力学理论是在八十多年前提出的,但是迄今为止仍没有相关实验数据记录,直到现在。

该研究小组由麻省理工学院的物理学教授Raymond Ashoori领导,主要成员包括其博士后学生Joonho Jang等人,所采用的方法是一种该小组自主研发的谱学技术。该方法主要依赖于电子隧道效应,这是一个量子力学过程,允许研究人员在感兴趣的体系内以精确的能量注入电子,这样就形成了一种电子被捕获并困在二维尺度内的体系。具体而言,该方法一般使用成千上万的电脉冲来探测冷却到极低温度(刚好高于绝对零度)下的半导体材料中的电子片。

利用隧道效应,研究人员们将电子发射到过冷材料中以测量半导体片材内的电子的能级状态。在模糊背景的衬托下,技术人员们在数据中发现了一个尖锐的峰;在进一步的详细分析后,他们最终确定这种尖峰是从高度有序的电子晶体中由于电子振动而发出的精确信号。当该小组研究人员增加电子密度时,也即令所有的电子堆积的更为紧密,集中在原来薄片的四分之一区域内,此时,他们发现数据尖峰上升到了一个更高的能量值,随后完全消失了,消失时候的电子密度恰好为电子晶体预计融化时的理论值。

该小组研究人员相信他们最终成功捕获了电子晶体融化的过程,也即有序的晶体结构的电子融化成无序的液体——量子力学中的相变现象,通过量子交互作用,电子形成晶体结构并最终在一定的电子密度值时融化成无序的液体。

“我们看到了一些全新的东西,”Ashoori说道:“先前一直有很多的科研人员花了大量的时间来证明并演示电子晶体的融化行为,但现在,我想我们做到了”。Ashoori和Jang已经在上周将其研究成果以论文的形式发表在了《Nature Physics》期刊上。该论文协同作者还有前麻省理工学院博士后Benjamin Hunt、Loren Pfeiffer以及来自美国普林斯顿大学的Kenneth West。
 
一个关于结晶的想法:
电子晶体的想法最早由美籍匈牙利物理学家尤金·威格纳(Eugene Wigner)于1934年提出。正常情况下,半导体金属材料,例如铝等元素能够通过电子移动的形式进行导电,就像乒乓球以闪电般的速度在材料内部快速移动一样,进而产生电流。然而,在温度极低的超冷环境下,这些金属材料中的电子移动几乎都会陷入停顿,因为没有足够的热量等能量来激发它们的运动。但是,一些运动电子却反而是真实存在,这应该是由于量子相互作用导致的,也即由个体电子和其他量子、亚原子粒子之间的不可见力所激发的。

电子,带负电荷,自然情况下会互相排斥,Wigner认为对于低密度的过冷电子,它们彼此之间的相互排斥力会作为一种脚手架作用,保持电子集中在一起,但会以相等的间隔分开,从而产生电子晶体。这种刚性结构,由于形成了Wigner晶体,会将金属变成绝缘体而不是导电体。
 
量子隧道效应:
自从Winger提出这一看法后,许多研究人员都在实验室里不断尝试观察Winger晶体,但观察结果都具有很大的不确定性。对于Ashoori和Jang而言,他们最初并非特意去寻找Winger晶体,相反,他们仅仅是想利用他们的电子隧道效应技术去研究一个二维电子片。在过去的十年里,该研究小组研发并不断改善了这种技术。该技术主要涉及到通过势垒发射电子并在另一侧探测材料的能级状态。量子力学指出,宇宙中的任何物体都有可能越过或“穿过”一个看似不可穿透的障碍,并在另一侧保持不变的状态。这种理论想法是研究人员研发隧道效应技术的关键,它们通过半导体势垒将电子发射到下面的二维电子片中;这种隧穿电子会在周围电子中引起振动,研究人员通过测量出这种振动的能量可以得出隧穿电子本身所具有的能量。
 
一个偶然的发现:

在这个研究实验中,该团队在砷化铝镓的屏障下研究探测了砷化镓的半导体片。研究人员将整个样品冷却至比绝对零度仅高一点点的极低温环境下,并以不同能量对样品施加电子脉冲,最后分析所得数据。当Jang发现数据中出现了一个尖锐的峰时,他查阅了大量的先前研究文献以解释这种现象,最终得出结论:考虑到该尖峰出现时候的温度和电子密度,这种尖峰只可能是电子晶体振动一致时所发出的信号。“大量的理论预测与我们所观察到的现象非常匹配,因此我们有理由认为这是确切无疑的。”Jang说道:“我们观察到了电子晶体的振动”。

研究人员进一步研究了如果他们改变二维薄片中的电子密度会发生什么现象。随着电子密度的增加,电子晶体的振动能量同样存在,最终达到峰值,然后在理论预测晶体应该融化的电子密度值处消失。研究人员推测,电子晶体必须变得非常密集,才能使得整个结构崩溃成更无序的流体状态。

“没有人曾在这种分辨率下研究过这种体系”Ashoori说道:“这完全是一个偶然的发现”。

该研究小组目前正在努力进一步提高其电子隧道技术的分辨率,希望能够使用它来辨别电子晶体的具体形状。

“不同的晶体具有不同的振动模式,如果我们的观察技术具有更高的分辨率,我们能够在振动曲线中确定是否存在某些峰,并且知道其振动模式甚至形状等信息。”Ashoori说道:“我们相信,随着时间的推移,我们最终一定可以实现这些目标的”。
 
 
译者:Vince
译自:phys
 
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