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　　本報記者 常麗君

　　關聯電子研究是基礎物理學的一個分支，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産生的獨特性質，可能帶來新材料和新技術方面的革命性突破。但研究的關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。

　　為此，美國加州理工大學物理學教授托馬斯·羅森鮑姆和芝加哥大學、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定性，發現這種不穩定性是溫度和壓力的函數，首次揭示了産生不穩定性的原因。相關論文發表在近日的《自然·物理學》雜誌上。

　　超導下的電子行為

　　在原子內部，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佈概率——在某元素中，電子以某種可能性出現的空間區域，有著特定的能量。某種元素中的特徵電子構型決定了元素的獨特性質。

　　關聯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的，部分原因就在於其電子構型，這種電子構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産生了公共電子，電阻消失，這時的狀態稱為超導。

　　汞的超導性及類似現象是由於存在大量相關電子對。在超導狀態下，相關電子對通過晶格中的聲子激發（一種週期性的、原子的整體激發），形成一種靈活而可伸縮的整體狀態，由此電子能以這種靈活狀態共同移動通過材料，而沒有能量損失。

　　壓力制約“電荷有序”

　　金屬中的“電荷有序”（charge order）是電子“海洋”的一種基本不穩定性。電荷有序是指正負電荷按照一定的方向進行排序。一般的情況下，材料中的正負電荷都是雜亂無章的，所以我們接觸物品時不會有被電的感覺。

　　電荷有序化通常與超導有關，許多材料都會産生電荷有序。但這種現象是如何産生的？為了“看到”電荷有序是怎樣産生的，研究小組利用了阿爾貢實驗室的先進光源。該光源是一種同步加速器，能産生強X射線束用於X射線衍射研究，X射線分散的形狀提供了電子結構的資訊。在實驗中，他們利用X射線束研究了兩種金屬——鉻和二硒化鈮中的電荷有序現象，壓力從0（真空）到100千巴（10萬倍正常大氣壓），溫度從3K到300K（零下270.15攝氏度到26.85攝氏度）。選擇二硒化鈮是因為其電荷的有序度很高，選擇鉻是因其自旋有序度很高。

　　研究人員發現，在晶體內部，壓力和公共電子的自組織方式之間存在單純的相關性，晶體結構完全不同的材料也表現出相同性質。羅森鮑姆説：“人們早就知道電荷有序和自旋有序現象，但迄今為止還不了解其背後的機制。”

　　有助於研究超導磁性

　　當貝爾實驗室1947年發明電晶體的時候，很少人能預見到這一設備對未來的影響。這一科學與工程的基礎性進步是發明手持式無線電、帶來現代計算的關鍵，從而讓智慧手機這樣的技術成為可能。這正是基礎研究價值的一個體現。

　　羅森鮑姆和同事指出，他們的結果雖然不能直接應用，但“這一發現對研究新材料以及産生磁性狀態的相互作用是有用的，這種磁性狀態通常是超導的前兆”。

　　“這類研究的吸引力在於，提出自然界中普遍存在的基本問題。”羅森鮑姆説，“我覺得，這正是加州理工大學的傳統：致力於開發出探索物質的新工具，從基本方面來揭示問題。能從普遍的微觀層面取得最強的突破，這才是真正的力量。”

　　論文合著者、阿爾貢實驗室的馮業軍（音譯）説：“我們花了10年時間開發儀器來完成這些研究。現在我們擁有獨一無二的研究能力。”