东方时讯网RIKEN物理学家的一项意外发现表明，晶体中隐藏的条纹可以帮助科学家了解某些量子系统(包括高温超导体)中电子的神秘行为。
大多数材料中的电子相互作用非常微弱。但是物理学家经常在电子彼此强烈相互作用的材料中观察到有趣的特性。在这些材料中，电子通常共同表现为粒子，从而产生“准粒子”。
“晶体可以被认为是一个具有不同物理定律的替代宇宙，允许不同的基本粒子存在于其中，”RIKEN新兴物质科学中心的克里斯托弗巴特勒说。
Butler和他的同事检查了一种晶体，其中一层镍原子排列成正方形格子，就像棋盘一样。单个电子的质量很小，但在这个晶体内，它们表现为无质量的准粒子。
该团队着手使用扫描隧道显微镜检查这种奇怪的效果，但事实证明这具有挑战性。核桃大小的显微镜被安置在一个真空室内，周围环绕着一屋子设备，可以产生与月球表面相当的低温和超低压。
“为了检查这些晶体的原始表面，我们尝试切下一小片，就像地质学家所做的那样，”巴特勒说。“但我们必须在真空中进行，这些晶体非常脆弱，很容易爆炸成灰尘。”
经过无数次尝试，他们成功了，并使用显微镜用一根小针(就像唱机一样)扫描薄片，并在其上施加电压。改变电压使他们能够探测不同的特征。
研究小组证实，镍原子呈棋盘状排列。但令他们惊讶的是，电子打破了这种模式，而是以条纹排列(图1)。这称为向列性——系统中的相互作用使电子显示出比底层材料更少的对称性。
巴特勒将这一发现比作站在池塘边扔石头。“你会期望看到圆形波纹，所以如果你看到平行线出现的波纹，你就会知道发生了一些奇怪的事情，”他说。“这需要一个解释。”
此类实验将帮助物理学家测试针对具有许多粒子相互作用的量子系统(例如高温超导体)的行为提出的不同理论。例如，这些新结果符合该研究的合著者在日本名古屋大学提出的使用“密度波”框架所做的预测。
“即使使用超级计算机也很难预测许多相互作用电子的行为，”巴特勒说。“但至少我们可以在显微镜下观察他们在做什么。”