特定情況下電子變重之謎破解
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- 時(shí)間:2010-6-8 9:49:54 來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)
本報(bào)訊 近日，美國(guó)和加拿大科學(xué)家通過(guò)頻譜成像掃描隧道顯微鏡(SI-STM)獲得了電子通過(guò)URu2Si2晶體時(shí)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(fèi)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(lái)，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(huì)比自然狀態(tài)下重幾百甚至幾千倍。理解有關(guān)重費(fèi)米子的這一現(xiàn)象將有助于設(shè)計(jì)出新的高溫超導(dǎo)物質(zhì)。美國(guó)布克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、加拿大麥馬斯達(dá)大學(xué)和美國(guó)能源部下屬的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員聯(lián)合對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究。
在該研究中，科學(xué)家的研究對(duì)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(dá)大學(xué)的格雷姆·盧克團(tuán)隊(duì)合成，當(dāng)被冷卻到零下256攝氏度(17開)時(shí)，該物質(zhì)會(huì)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?yàn)槟撤N“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(gè)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(lái)觀察電子經(jīng)歷相變時(shí)的 “一舉一動(dòng)”，他們測(cè)量了此刻位于該物質(zhì)表面的電子的波長(zhǎng)和它們的能量，并由此計(jì)算出有效的電子質(zhì)量。
該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、布克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)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?yàn)樗鼈兯俣缺蛔兟龔亩憩F(xiàn)得非常重。
研究人員解釋道，我們可以用足球比賽來(lái)理解這種現(xiàn)象。開球后，一對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員在球場(chǎng)上奔跑，如果每個(gè)運(yùn)動(dòng)員能夠毫無(wú)障礙地自由奔跑，整個(gè)團(tuán)隊(duì)就像一堆毫無(wú)關(guān)聯(lián)的“電子”形成的波。但是，如果球場(chǎng)上擺滿了一排一排的椅子，并且每個(gè)運(yùn)動(dòng)員在每次遇到一個(gè)椅子之后，都必須停留一會(huì)兒才能夠繼續(xù)在球場(chǎng)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(gè)鈾原子時(shí)，電子減速僅僅持續(xù)一瞬間，但是，因?yàn)閯?dòng)能和質(zhì)量有關(guān)，減速會(huì)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(jiàn)”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(lái)“看見(jiàn)”這些現(xiàn)象。
該研究團(tuán)隊(duì)正在使用新方法來(lái)研究許多相關(guān)的化合物，以更好地理解重費(fèi)米子系統(tǒng)。
