美加科學(xué)家破解特定情況下電子變重之謎

近日，美國和加拿大科學(xué)家通過頻譜成像掃描隧道顯微鏡（SI-STM）獲得了電子通過URu2Si2晶體時明顯變得更“重”的首幅照片。科學(xué)家認(rèn)為該研究有助于探索重費米子的特性和功能，以研發(fā)出新的高溫超導(dǎo)物質(zhì)。相關(guān)研究發(fā)表在最新出版的《自然》雜志上。
　　幾十年來，物理學(xué)家們一直想弄清為什么電子在某些特定的情況下會比自然狀態(tài)下重幾百甚至幾千倍。理解有關(guān)重費米子的這一現(xiàn)象將有助于設(shè)計出新的高溫超導(dǎo)物質(zhì)。美國布克海文國家實驗室、加拿大麥馬斯達大學(xué)和美國能源部下屬的洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員聯(lián)合對這個問題進行了研究。
　　在該研究中，科學(xué)家的研究對象是由鈾、釕和硅組成的物質(zhì)URu2Si2。該物質(zhì)由加拿大麥馬斯達大學(xué)的格雷姆·盧克團隊合成，當(dāng)被冷卻到零下256攝氏度（17開）時，該物質(zhì)會發(fā)生相變。
　　以前，科學(xué)家認(rèn)為，在更低溫度下出現(xiàn)相變是因為某種“隱藏的秩序”。但是，科學(xué)家不能辨別出：這種“隱藏的秩序”同電子集體表現(xiàn)得像波一樣相關(guān)，還是同單個電子與鈾原子之間的相互作用相關(guān)。
　　研究人員使用頻譜成像掃描隧道顯微鏡來觀察電子經(jīng)歷相變時的“一舉一動”，他們測量了此刻位于該物質(zhì)表面的電子的波長和它們的能量，并由此計算出有效的電子質(zhì)量。
　　該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、布克海文國家實驗室的物理學(xué)家謝默斯·戴維斯表示，研究結(jié)果表明，這些電子非常非常“重”——或許因為它們速度被變慢從而表現(xiàn)得非常重。
　　研究人員解釋道，我們可以用足球比賽來理解這種現(xiàn)象。開球后，一對足球運動員在球場上奔跑，如果每個運動員能夠毫無障礙地自由奔跑，整個團隊就像一堆毫無關(guān)聯(lián)的“電子”形成的波。但是，如果球場上擺滿了一排一排的椅子，并且每個運動員在每次遇到一個椅子之后，都必須停留一會兒才能夠繼續(xù)在球場奔跑。在這種情況下，椅子就類似于鈾原子，選手和椅子之間（電子和鈾原子之間）的相互作用顯然降低了原子的奔跑速度。
　　盡管遇到每一個鈾原子時，電子減速僅僅持續(xù)一瞬間，但是，因為動能和質(zhì)量有關(guān)，減速會使得電子顯得比自由的電子的質(zhì)量要大很多。
　　新研究除了揭示相互作用是鈾化合物中“隱藏的秩序”形成的原因外，還證明了SI-STM技術(shù)能夠被用于“看見”重電子，這也給研究人員提供了一種思路，他們可以研發(fā)出更多的方式來“看見”這些現(xiàn)象。
　　該研究團隊正在使用新方法來研究許多相關(guān)的化合物，以更好地理解重費米子系統(tǒng)。