美加科學家破解特定情況下電子變重之謎

近日，美國和加拿大科學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。科學家認為該研究有助于探索重費米子的特性和功能，以研發出新的高溫超導物質。相關研究發表在最新出版的《自然》雜志上。
　　幾十年來，物理學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下重幾百甚至幾千倍。理解有關重費米子的這一現象將有助于設計出新的高溫超導物質。美國布克海文國家實驗室、加拿大麥馬斯達大學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合對這個問題進行了研究。
　　在該研究中，科學家的研究對象是由鈾、釕和硅組成的物質URu2Si2。該物質由加拿大麥馬斯達大學的格雷姆·盧克團隊合成，當被冷卻到零下256攝氏度（17開）時，該物質會發生相變。
　　以前，科學家認為，在更低溫度下出現相變是因為某種“隱藏的秩序”。但是，科學家不能辨別出：這種“隱藏的秩序”同電子集體表現得像波一樣相關，還是同單個電子與鈾原子之間的相互作用相關。
　　研究人員使用頻譜成像掃描隧道顯微鏡來觀察電子經歷相變時的“一舉一動”，他們測量了此刻位于該物質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量。
　　該研究的領導者、布克海文國家實驗室的物理學家謝默斯·戴維斯表示，研究結果表明，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聯的“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，電子減速僅僅持續一瞬間，但是，因為動能和質量有關，減速會使得電子顯得比自由的電子的質量要大很多。
　　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，他們可以研發出更多的方式來“看見”這些現象。
　　該研究團隊正在使用新方法來研究許多相關的化合物，以更好地理解重費米子系統。