“電荷有序”秘密“曝光” ——基礎(chǔ)物理學(xué)發(fā)現(xiàn)為新材料開發(fā)指引方向
關(guān)聯(lián)電子研究是基礎(chǔ)物理學(xué)的一個分支,主要是研究金屬中電子之間的相互作用。理解了電子之間的相互作用和它們產(chǎn)生的獨特性質(zhì),可能帶來新材料和新技術(shù)方面的革命性突破。但研究的關(guān)鍵是通過實驗證明從微觀層面實際探測到這些相互作用和性質(zhì)。 為此,美國加州理工大學(xué)物理學(xué)教授托馬斯·羅森鮑姆和芝加哥大學(xué)、阿爾貢國家實驗室的同行利用同步加速器X射線源研究了金屬中電子排列的不穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)這種不穩(wěn)定性是溫度和壓力的函數(shù),首次揭示了產(chǎn)生不穩(wěn)定性的原因。相關(guān)論文發(fā)表在近日的《自然·物理學(xué)》雜志上。 超導(dǎo)下的電子行為 在原子內(nèi)部,電子軌道排列成一層層的球殼。雖然它們通常被視為一個整體,但實際上各層軌道代表的是分布概率——在某元素中,電子以某種可能性出現(xiàn)的空間區(qū)域,有著特定的能量。某種元素中的特征電子構(gòu)型決定了元素的獨特性質(zhì)。 關(guān)聯(lián)電子研究是觀察電子亞層。比如金屬,最外層電子軌道未被填滿,電子可以自由地從一個原子移動到另一個原子,所以金屬具有良好的導(dǎo)電性。雖然金屬原子被緊緊擠在晶格(或晶體)中,但這些電子卻混在一起形成一片電子“海洋”。如金屬元素汞在室溫下是液態(tài)的,部分原因就在于其電子構(gòu)型,這種電子構(gòu)型對電流的阻礙極小。在4K(零下269.15攝氏度)時,汞的電子排布及其他性質(zhì)產(chǎn)生了公共電子,電阻消失,這時的狀態(tài)稱為超導(dǎo)。 汞的超導(dǎo)性及類似現(xiàn)象是由于存在大量相關(guān)電子對。在超導(dǎo)狀態(tài)下,相關(guān)電子對通過晶格中的聲子激發(fā)(一種周期性的、原子的整體激發(fā)),形成一種靈活而可伸縮的整體狀態(tài),由此電子能以這種靈活狀態(tài)共同移動通過材料,而沒有能量損失。 |