物理學家破譯“扼殺”導電性的粒子之舞

物理學家終于查明，為何某些量子材料會看似毫無緣由地喪失其導電性。

在量子領域，當現象有悖常理時，科學家并非總能為其觀測結果找到合理解釋。很多時候，他們是在偶然間找到解決方案的 —— 這通常始于意識到一個怪異信號并非錯誤信號。

研究人員此前已知曉一種奇特現象：一種初始狀態下具有導電性的材料，似乎會完全喪失其導電能力。盡管物理學家懷疑電子牽涉其中，但他們一直難以確定其確切機制。但發表于《物理評論快報》的一篇新論文，確定了這場"消失戲法"背后的罪魁禍首 —— 或者說是一眾"元兇"：一種被稱為"極化子"的粒子復合體。

根據研究人員的說法，這種特定的排列方式在電子和周圍原子之間創造了一種奇特的"舞蹈"，最終阻礙了材料中的電流。該發現首次在基于銩、硒和碲（這些稀土金屬對先進技術制造至關重要）的化合物中找到了極化子。

"我們首次能夠在此使其顯現，這一事實表明在材料的量子宇宙中，仍有諸多有趣的新現象有待發掘，"該研究的資深作者、德國DESY研究所的科學家凱·羅斯納格爾在一份聲明中表示。

非眾粒子，而是一體

極化子屬于一類被稱為"準粒子"的奇特量子體。簡而言之，準粒子描述了在某些情況下，一群粒子如何作為一個整體，集體表現為單個粒子的行為。極化子表征了電子與原子（在此案例中為稀有金屬化合物）之間的相互作用。略微扭曲的原子層極大地減緩了電子的速度，從而抑制了電子流 —— 即電流。

研究人員在聲明中指出，這些轉變"表明材料的特性不能僅用其化學成分來解釋"。他們補充說，電子往往能感知附近其他電子的運動，并且會很容易地作為準粒子協同運動，在此過程中"形成具有新特性的類粒子狀態"。

一個奇特的小凸起

該團隊最初著手研究這種銩基化合物的一般性質。他們使用不同的輻射源（包括粒子加速器中的強X射線）對該材料進行了各種測量。出于某種原因，他們總是在主信號旁邊看到一個微小的凸起。

像往常一樣，他們將其視為技術錯誤而未予理會，但這個凸起在各種測量中持續存在。至此，研究人員決定對該信號展開一項重點調查 —— 這個項目最終花費了數年時間才完成。

直到他們引入了一個已有70年歷史的模型，計算才終于說得通了。根據論文，本質上，那個小凸起是電子作為極化子與金屬化合物原子一起振動的產物。

"那是決定性的一步，"該研究的主要作者、德國基爾大學的物理學家崔爾-熙·閔在聲明中解釋道。"一旦我們將這種相互作用納入計算，模擬結果與測量數據就完美匹配了。"

此外，物理學家已經知曉，許多現代量子材料都表現出類似的特性。如果研究人員能更好地駕馭這些奇特的電子特性，極化子或許能加速諸如室溫超導體等材料的問世。

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