電子行為異常：光譜學觀察到電荷分數化
保羅·謝勒研究所領導的科學團隊通過光譜學首次觀察到鐵基金屬鐵磁體中電子電荷的分數化。這一現象不僅對基礎科學至關重要，而且由於它出現在常見金屬合金中，且在可接近的溫度下發生，因此對未來電子設備的開發具有潛在的實際應用價值。這一發現已發表在《自然》雜誌上。
基本的量子力學告訴我們，「電子電荷」是一個不可分割的基本單位。然而，我們已經知道在某些特殊情況下存在例外。在這些情況下，電子以「集體方式」排列，就好像它們被分割成擁有部分電荷的獨立實體。
雖然電荷分數化的概念自20世紀80年代末以來就已經在實驗中觀察到，但之前的實驗都是間接測量，通過觀察宏觀現象來推斷電荷分數化，例如分數量子霍爾效應。然而，這些方法並未揭示電荷分數化的微觀行為—動態。瑞士和中國的研究團隊現在通過對雷射照射下從鐵磁體發射出來的電子的光譜學觀察，首次揭示了這種動態。
要使電子發生分數化，需要將電子帶到一個奇特的環境中，讓它們停止遵循正常的規則。在傳統金屬中，電子通常會在材料中移動，一般互不干擾，只有偶爾碰撞。它們擁有不同的能量水平，這些能量水平被描述為「分散帶」，在這裡，電子的動能取決於它們的動量。
電子口袋現象，能量最低點的秘密空間
在某些材料中，特殊的極端條件可以導致電子開始相互作用，並以集體方式行為。平帶是一種特殊的電子結構區域，電子在這裡幾乎具有無限的有效質量，使得它們無法逃脫彼此，並產生強烈的相互作用。
在日本籬笆「籠目」圖案的晶格結構中，科學家們發現了這種現象。他們在Fe3Sn2化合物中做出了這一發現，這是一種僅由鐵和錫組成的化合物。
研究人員使用激光角度解析光電發射光譜（ARPES）技術，在日內瓦大學進行了詳細的探究。這使得他們能夠以前所未有的分辨率探測材料的局部電子結構。
專注於某些晶體領域時，團隊發現了一種被稱為電子口袋的特徵，這是材料電子能帶結構中動量空間的區域，電子在這裡的能量達到最小值。在這些口袋中，電子表現為集體激發或准粒子。
研究人員檢測到電子能帶結構中的奇怪特徵，雷射ARPES測量顯示了一個分散帶，這與密度泛函理論計算不符。這個帶非常銳利，但突然截斷，這在常規情況下並不正常。研究人員還意識到，他們正在觀察一個分散帶與平帶的相互作用，這種交互被認為能夠促進新物態的出現，例如邊緣金屬或特殊的超導體。這是第一次通過光譜學發現由這種交互產生的新帶。
當這兩個帶相遇時，它們會形成一個新的帶。原來的分散帶被佔據，而平帶由於位於費米能級以上而未被佔據。當新帶被創建時，電荷在原來的分散帶和新帶之間被分割。這意味著每個帶只包含一部分電荷。
PSI的光子科學部門負責人、EPFL和蘇黎世聯邦理工學院教授Gabriel Aeppli表示：「實現和觀察電荷分數化狀態不僅僅是從基礎研究的角度令人興奮。我們在常見金屬合金中以較低但仍然相對容易達到的溫度下觀察到這一現象。這使得考慮是否有電子設備可能利用分數化變得值得。」
這一發現已發表在最新一期的《自然》期刊。
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圖片來源：Sandy Ekahana cc By4.0
參考論文：
1.Anomalous electrons in a metallic kagome ferromagnetNature
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