首次！研究人员打造出一种新型金属，内部电子以类似流体的动力学流动

2021-09-07 09:21

据波士顿学院的一个研究小组在《自然·通讯》杂志上报道称，他们创造了一种新的金属样品，其中电子的流动方式与水在管道中的流动方式相同——从根本上改变了从颗粒状到流体状的动力学。

波士顿学院物理系助理教授Fazel Tafti在金属超导体(铌和锗的合成物)中发现，电子和声子之间的强烈相互作用改变了电子的传输，从扩散状或粒子状，转变为流体状。

Fazel Tafti表示，这一发现标志着在NbGe2内部首次发现电子-声子液体（electron-phonon liquid）。

“我们想测试最近对‘电子-声子流体’的预测，”Tafti说，他指出声子是晶体结构的振动。“通常，电子被声子散射，导致电子在金属中的扩散运动。一种新的理论表明，当电子与声子强烈相互作用时，它们将形成一种统一的电子-声子液体。这种新型液体会在金属内部流动，就像水在管道中流动一样。”

Fazel Tafti与他的波士顿学院(Boston College)物理学教授肯尼斯·伯奇(Kenneth Burch)、佛罗里达州立大学(FSU)的路易斯·巴利卡斯(Luis Balicas)和加州大学达拉斯分校(ut - dallas)的茱莉亚·陈(Julia Chan)合作，证实了理论家的预测。他们表示，这一发现将推动对这种材料及其潜在应用的进一步探索。

Fazel Tafti指出，我们的日常生活依赖于水管中的水流和电线中的电子。这两种现象听起来很相似，但本质上是不同的。水分子作为连续体流动，而不是作为单独的分子，遵循流体力学定律。然而，电子以单个粒子的形式流动，并因晶格振动而分散，在金属内部扩散。

该研究小组的研究重点是新金属NbGe2的导电性能。他们采用了三种实验方法：电阻率测量显示电子的质量高于预期；由于特殊的电子流动，拉曼散射表现出NbGe2晶体振动行为的变化；X射线衍射揭示了材料的晶体结构。

通过使用一种被称为“量子振荡”（quantum oscillations）的特殊技术来评估材料中的电子质量，研究人员发现，所有轨道上的电子质量都是预期值的三倍。

上述研究工作得到了美国国家科学基金会的支持。“这确实令人惊讶，因为我们没想到在一种看似简单的金属中会有这样的‘重电子’。”“最终，我们明白了强电子-声子相互作用是重电子行为的原因。因为电子与晶格振动或声子强烈地相互作用，它们被晶格‘拖拽’，看起来好像它们获得了质量并变得重了。”

研究人员们计划下一步将通过利用电子-声子相互作用，找到这种流体力学状态下的其他材料。他的团队还将专注于控制这些材料中的电子流体力学，并设计新的电子设备。