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，它们在向前冲刺时并不关心其他电子，每个电子都有自己的能量。

但当一种材料的电子被捕获在一起时，它们可以进入相同的能态并表现得像一个。在物理学中，这种集体的、僵尸般的状态被称为电子“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发挥作用。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。

晶体的原子几何形状使电子的俘获态成为可能。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，研究人员发现电子被“关在笼子里”，而不是在原子之间跳跃并进入同一能带。

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。《自然》杂志上的研究结果为科学家探索三维材料中稀有电子态提供了新途径。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(JosephCheckelsky)表示：“现在我们知道可以用这种几何形状制作出平坦的带，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。”。

设置3D陷阱

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。然而，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。他们想到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。

洛基登陆

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，他们测量了晶体中各个电子的能量，看看它们是否落入相同的平能带中。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，具有非常波纹状的景观。对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，绝大多数晶体的电子表现出相同的能量，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，当他们在相同的类似kagome的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带。这不仅仅是一个幸运的打击。从这一点开始，挑战是优化以实现平带的承诺材料，有可能在更高温度下维持超导性。”

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