“二维化”的电子

由异常物理定律支配的隐藏世界听起来好像是科幻小说中的东西。然而，近期科学家却观测到了这样一个现象。这是一个隐藏在真实超导材料中的平面世界。在《美国科学院院刊》（PNAS）中，研究人员报道了一种三维材料，其中的电子表现得好像只有二维空间的存在。

我们生活在三个空间维度中，包括长度、宽度和高度。科学家利用工程设计可以制造出极其纤薄的材料，以此消除“高度”这个维度的影响，但来自美国SLAC国家加速实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）的团队并没有选择这种方式。在研究一种新型超导体时，他们有了一些不寻常的发现。超导体是一种容许电流无阻力流动的物质，可用于核磁共振设备、粒子加速器以及某些量子计算机。他们的样品由钡、铅、铋和氧等元素组成，具备完整的三维结构。然而，使用高功率“量子”显微镜检查后发现，材料中的电子无视了材料的三维结构，形成了完美的平面条状结构。来自智利费德里科圣玛利亚技术大学的卡罗莱纳·帕拉（Carolina Parra，这项研究的主要作者）介绍说：“在没有改变任何物理化学特性，或者使用特定制造工艺的情况下，超导电子自发地坍缩到了这个二维系统中。”

此前物理学家已经推测过这种材料可能会具有他们无法测量的二维电子行为。但是最新的研究直接观察到了这一行为。SLAC的物理学家哈里·马诺哈兰（Hari Manoharan，这项研究的共同作者）表示，透过研究人员的量子显微镜，“你可以获取这个样品在原子水平的物理参数信息。”要知道，“量子”显微镜可以探测被称为量子隧穿效应的现象：显微镜中的电子会试图潜入样品内部，由此可以揭示超导体中单个原子及其电子的特征。

美国俄亥俄州立大学的物理学家南迪尼·特里维迪（Nandini Trivedi）认为，以上观测发现的二维电子世界将成为测试超导体理论的重要环境。特里维迪的研究方向是极薄超导体中电子形成众多紧密结合的粒子岛的现象。马诺哈兰团队的成员曾观测到电子自发地以同样的方式组成二维结构，而且，这种特殊的行为明显比在特意设计为平面的材料中更明显。

精确定位电子在超导体中的具体行为有助于推动超导体材料的研究进展。大部分超导材料仅在冷却到零下200℃以下时才会展现出超导性。SLAC的物理学家葆拉·希拉尔多-加略（Paula Giraldo-Gallo，这项研究的另一位共同作者）表示，这种要求在实际使用中是不现实的，但物理学家仍未找到可以让超导材料在室温下就展现其特性的改造手段。而在这项研究中，科学家观测到部分紧密的电子团似乎表现出了超导性能，这个温度完全出乎人们的预料。加略认为：“这种材料具备制成高温超导体的潜力，不过具体什么因素能驱动研究进展，还是有待解决的问题。”或许答案就藏在这项新研究的二维世界中。

（Karmela Padavic-Callaghan）