三維固體中像光一樣移動的電子
2015年04月28日 9:8 3773次瀏覽 來源： 新材料在線 分類： 新材料前沿
一個穩定的塊體材料發現了與石墨烯相同的物理現象——表明電子軌道運動與其內在磁取向的相互作用。這種新材料將成為固體形貌中電子相互作用下特異電子行為如何進行的理論試驗場。
鈉-鉍（sodium bismuth）和鎘-砷（cadmium arsenic）固體電子行為關鍵特征的藝術表達。三維晶格中的相互作用導致電子以固定速率遷移，與電子能態無關。
圖片來源：SLAC國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory）
電子以非同尋常的高速度在固體中遷移，與電子能量無關。這種類似于光的異常行為在特殊二維材料（如石墨烯）中被發現，但是現在三維塊體材料中也發現了這種現象。利用同步輻射X射線的高分辨率角分辨電子顯微鏡證實了理論預測的這種特異電子結構。
在穩定塊體材料中發現了與石墨烯中相同的物理現象，這種現象表明了電子軌道運動與其內在磁取向的復雜相互作用。這種新材料將成為固體形貌中電子相互作用下特異電子行為如何進行的理論試驗場，包括塊體材料的最高電子遷移率。
對于電子特性的觀察已經大大超出了金屬、絕緣體和半導體的熟悉系統，進入到強相互作用電子（電子運動速率與其能態之間具有特異關系）。這類新材料的一個重要特征是其電子運動速率與其能量毫無關系。這是光子（由具有能量的粒子組成的光束）的標志。在這類新材料中發現了該屬性，表明電子軌道和電子自旋取向（稱為“自旋軌道耦合”）之間存在強相互作用。最近已經探討了二維尺度（例如石墨烯）上的這種系統，但由于薄膜極其薄，使得系統難以正常工作。
本研究在三維材料Na3Bi和Cd3As2中確定了類石墨烯電子特性，并解釋其超乎尋常的高電子遷移率。該研究需要先進的電子光譜技術，使用能量可調的強X-射線源和高分辨率光譜儀來觀察電子結構。
該研究獲得美國能源部科學辦公室（DOE Office of Science）、基礎能源科學（Basic Energy Sciences）的資助，以及先進光源（Advanced Light Source）的支持。國外研究人員受到英國工程和物理科學研究理事會（Engineering and Physical Sciences Research Council (UK)）、中國國家自然科學基金（National Science Foundation of China）、中國國家重點基礎研究發展計劃（National Basic Research Program of China）、中國國際科學技術合作項目（International Science and Technology Cooperation Program of China）、中國國家留學基金管理委員會（China Scholarship Council）、以及美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency (USA)）的支持。
責任編輯：陳巖
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