伊丽莎白·阿
麻省理工学院材料研究实验室汤姆森 麻省理工学院的里卡多·科姆和他的同事研究了戈薇材料，这是零能量电子态的可视化，也被称为“费米表面”
学分:麻省理工学院康明实验室 麻省理工学院的物理学家和同事们发现了一种新量子材料的一些奇异特性背后的“秘密酱”，这种特性让物理学家们震惊不已，其中包括超导性
尽管理论家已经预测了这种被称为戈薇金属的材料的不寻常性质的原因，但这是第一次在实验室中观察到这些性质背后的现象
“希望我们对戈薇金属电子结构的新理解将有助于我们为发现其他量子材料建立一个丰富的平台，”麻省理工学院1947级职业发展助理物理教授Riccardo Comin说，他的团队领导了这项研究
反过来，这可能会带来一类新的超导体、新的量子计算方法和其他量子技术
这项工作发表在2022年1月13日的《自然物理》杂志在线版上
经典物理可以用来解释构成我们世界基础的任何数量的现象——直到事情变得非常小
像电子和夸克这样的亚原子粒子行为不同，其方式仍未被完全理解
进入量子力学，试图解释它们的行为和结果的领域
目前工作的核心戈薇金属是一种新的量子材料，或者说是一种在宏观尺度上展示量子力学奇异特性的材料
2018年，Comin和麻省理工学院三井职业发展物理学副教授Joseph Checkelsky领导了第一项关于戈薇金属电子结构的研究，激发了人们对这一材料家族的兴趣
戈薇金属家族的成员由原子层组成，这些原子层排列成重复的单元，类似于大卫之星或警长徽章
这种图案在日本文化中也很常见，尤其是作为一种编织图案
“这种新的材料家族作为量子物质丰富的新游乐场吸引了很多关注，它可以表现出奇异的性质，如常规超导性、线虫性和电荷密度波，”科姆说
异常属性 在加州大学圣巴巴拉分校斯蒂芬·威尔逊教授的实验室里，科姆和他的同事们发现了戈薇金属新家族中的超导性和电荷密度波序的迹象，在那里也合成了单晶(威尔逊是《自然物理学》论文的合著者)
目前工作中探索的特定戈薇材料仅由三种元素(铯、钒和锑)组成，化学式为CsV3Sb5
研究人员重点研究了戈薇金属在冷却到室温以下时表现出的两种奇异特性
在这些温度下，材料中的电子开始表现出集体行为
“他们互相交谈，而不是独立行动，”科宁说
由此产生的特性之一是超导性，它能使材料极其有效地导电
在普通金属中，电子的行为很像人们在房间里跳舞
在戈薇超导体中，当材料冷却到3开尔文(~-454华氏度)时，电子开始成对移动，就像跳舞的情侣一样
“所有这些对都在同步移动，就好像它们是量子编排的一部分，”科宁说
在100开尔文的温度下，科姆和他的合作者研究的戈薇材料展示了另一种被称为电荷密度波的奇怪行为
在这种情况下，电子以波纹的形式排列，很像沙丘中的电子
“他们哪儿也不去；他们被困在了原地，”康明说
波纹中的峰值代表电子丰富的区域
谷是电子贫乏的
“电荷密度波与超导体非常不同，但它们仍然是一种物质状态，电子必须以集体的、高度有序的方式排列
他们又一次组成了舞蹈，但他们不再跳舞了
现在它们形成了一个静态模式
" Comin指出，戈薇金属之所以引起物理学家的极大兴趣，部分原因是它们既能展示超导性，又能展示电荷密度波
“这两种奇异现象经常相互竞争，因此一种材料同时拥有这两种现象是不寻常的
" 秘制酱？ 但是这两个属性出现的背后是什么呢？“是什么导致电子开始相互交流，开始相互影响？这是一个关键问题，”第一作者·康说，他是麻省理工学院物理系的研究生，也是马普韩国研究计划的成员
这是物理学家在《自然物理学》上报道的
“通过探索这种新材料的电子结构，我们发现电子表现出一种有趣的行为，称为电子奇点，”康说
这个特殊的奇点是以比利时物理学家莱昂·范霍夫的名字命名的，他是第一个发现它的人
范霍夫奇点涉及电子能量和速度之间的关系
通常，运动中的粒子的能量与其速度的平方成正比
“这是经典物理学的一个基本支柱，(本质上)意味着速度越大，能量越大，”科宁说
想象一下，一个红袜队的投手用快球打你
然后想象一个孩子试图做同样的事情
投手的球会比小孩的球更疼，小孩的球能量更少
Comin团队发现，在戈薇金属中，这条规则不再适用
相反，以不同速度运动的电子碰巧都具有相同的能量
结果是投手的快球会和孩子的一样有身体效果
“这非常违反直觉，”康明说
他指出，将能量与固体中的电子速度联系起来具有挑战性，需要两个国际同步加速器研究设施的特殊仪器:浦项光源的束线4A1和束线7
劳伦斯·伯克利国家实验室高级光源2 (MAESTRO)
维尔茨堡大学(德国)的罗尼·托马教授评论说:“理论物理学家(包括我的团队)已经预测了戈薇晶格上范霍夫奇点的特殊性质，戈薇晶格是由角共享三角形组成的晶体结构
Riccardo Comin现在已经为这些理论建议提供了第一次实验验证
“托马雷没有参与这项工作
当一种材料中同时存在许多具有相同能量的电子时，它们的相互作用会更强
由于这些相互作用，电子可以配对并变成超导的，或者形成电荷密度波
康补充说:“范霍夫奇性在一种材料中的存在，作为这些奇异现象的共同来源，这两种材料都有很好的意义。”
“因此，这种奇点的存在是使戈薇金属的量子行为成为可能的‘秘方’。”
" 科姆说，该团队对戈薇材料中能量和速度之间关系的新理解“也很重要，因为这将使我们能够为新量子材料的开发建立新的设计原则。”
此外，“我们现在知道如何在其他系统中找到这个奇点
" 直接反馈 当物理学家分析数据时，大部分时间必须先处理数据，然后才能看到明显的趋势
然而，戈薇系统“给了我们关于正在发生的事情的直接反馈，”科宁说
“这项研究最精彩的部分是能够在原始数据中看到奇点
"
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