研究揭示特定情况电子变重之谜

近日，美国和加拿大科学家通过频谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）获得了电子通过URu₂Si₂晶体时明显变得更“重”的首幅照片。科学家认为该研究有助于探索重费米子的特性和功能，以研发出新的高温超导物质。相关研究发表在近期出版的《自然》（Nature）杂志上。几十年来，物理学家们一直想弄清为什么电子在某些特定的情况下会比自然状态下重几百甚至几千倍。理解有关重费米子的这一现象将有助于设计出新的高温超导物质。美国布克海文国家实验室、加拿大麦马斯达大学和美国能源部下属的洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员联合对这个问题进行了研究。在该研究中，科学家的研究对象是由铀、钌和硅组成的物质URu₂Si₂。该物质由加拿大麦马斯达大学的格雷姆·卢克团队合成，当被冷却到零下256摄氏度（17开）时，该物质会发生相变。以前，科学家认为，在更低温度下出现相变是因为某种“隐藏的秩序”。但是，科学家不能辨别出：这种“隐藏的秩序”同电子集体表现得像波一样相关，还是同单个电子与铀原子之间的相互作用相关。研究人员使用频谱成像扫描隧道显微镜来观察电子经历相变时的“一举一动”，他们测量了此刻位于该物质表面的电子的波长和它们的能量，并由此计算出有效的电子质量。该研究的领导者、布克海文国家实验室的物理学家谢默斯·戴维斯表示，研究结果表明，这些电子非常非常“重”——或许因为它们速度被变慢从而表现得非常重。研究人员解释道，我们可以用足球比赛来理解这种现象。开球后，一对足球运动员在球场上奔跑，如果每个运动员能够毫无障碍地自由奔跑，整个团队就像一堆毫无关联的“电子”形成的波。但是，如果球场上摆满了一排一排的椅子，并且每个运动员在每次遇到一个椅子之后，都必须停留一会儿才能够继续在球场奔跑。在这种情况下，椅子就类似于铀原子，选手和椅子之间（电子和铀原子之间）的相互作用显然降低了原子的奔跑速度。尽管遇到每一个铀原子时，电子减速仅仅持续一瞬间，但是，因为动能和质量有关，减速会使得电子显得比自由的电子的质量要大很多。新研究除了揭示相互作用是铀化合物中“隐藏的秩序”形成的原因外，还证明了SI-STM技术能够被用于“看见”重电子，这也给研究人员提供了一种思路，他们可以研发出更多的方式来“看见”这些现象。该研究团队正在使用新方法来研究许多相关的化合物，以更好地理解重费米子系统。（来源：科技日报刘霞）