yy.vip易游-科学家首次证实磷链中存在真正的一维电子行为

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　　亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）的研究人员在BESSY II同步辐射光源上，首次通过实验证实了一种材料可以表现出真正的一维电子特性。该团队研究了在银表面以特定角度自然排列的短磷原子链。通过应用先进的测量和分析技术，他们分离了来自不同方向排列的链的信号。这项细致的工作表明，每条单独的链都表现为一个真正的一维电子系统。

　　研究结果还表明，材料的行为会随着链之间间距的改变而发生显著变化。当链之间的距离较远时，材料表现为半导体。然而，如果链紧密排列在一起，计算预测它将表现得像金属。

　　所有材料都由以不同模式结合在一起的原子构成。在大多数固体中，原子在平面内和垂直方向上都相互连接。一些元素，如碳，可以形成石墨烯，这是一种二维（2D）六边形网络，其中的原子仅在单层内结合。磷也能够形成稳定的二维结构。

　　二维材料因其不寻常的电子和光学特性而引起了人们的强烈兴趣。理论研究表明，将材料进一步缩小到一维结构可能会产生更显著的电光效应。

　　在严格控制的条件下，磷原子可以在银基板上自组织成短而直的线。在结构上，这些线看起来像一维的。然而，相邻的链仍然可能从侧面相互作用。这些横向相互作用会改变电子结构，并可能破坏真正的一维行为。到目前为止，研究人员还无法清楚地测量电子本身是否被限制在一个维度上。

　　HZB量子材料自旋与拓扑学部门负责人Oliver Rader教授说：“通过对BESSY II的测量结果进行非常彻底的评估，我们现在已经表明，这种磷链确实具有一维电子结构。”

　　Andrei Varykhalov博士和他的同事首先使用低温扫描隧道显微镜（STM）创建并检查了磷链。图像显示，短磷链在银表面形成三个不同的方向，每个方向之间相隔120度角。

　　Varykhalov说：“我们取得了非常高质量的结果，使我们能够观察到在链之间形成的电子驻波。”然后，该团队使用角分辨光电子能谱（ARPES）在BESSY II上绘制了电子结构图，这是他们拥有丰富专业知识的一项技术。（背景延伸：角分辨光电子能谱（Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES）是一种研究材料电子结构的实验技术，通过测量光电效应中发射光电子的角度和能量，可以获得材料的能带结构、费米面等重要信息。它在凝聚态物理、材料科学等领域有着广泛的应用。《自然》杂志2023年发表的一篇综述文章详细介绍了ARPES的原理和应用。）

　　Maxim Krivenkov博士和Maryam Sajedi博士在解释数据方面发挥了关键作用。通过仔细分离来自三个不同方向链域的贡献，他们能够分离出每个链的电子特征。Krivenkov说：“我们可以解开来自这些域的ARPES信号，从而证明这些一维磷链实际上也具有非常独特的一维电子结构。”

　　基于密度泛函理论的计算支持实验结果，并表明随着链靠得更近，会发生重要的转变。预测相邻链之间更强的相互作用会随着链密度的增加而触发从半导体到金属的相变。换句话说，如果链形成紧密堆积的二维阵列，则该材料将表现得像金属。（背景延伸：密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。它用电子密度代替多电子波函数作为基本变量，大大简化了计算的复杂性，广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。DFT计算在预测材料性质、设计新材料等方面发挥着重要作用。相关信息可参考《物理评论》上的相关论文。）

　　Varykhalov说：“我们已经进入了一个新的研究领域，这是一个未知的领域，很可能会有很多令人兴奋的发现。”（背景延伸：一维材料的研究是当前凝聚态物理和材料科学领域的热点之一。由于其独特的电子结构和量子限域效应，一维材料在纳米电子器件、光电器件、传感器等领域具有潜在的应用前景。近年来，碳纳米管、半导体纳米线等一维材料的研究取得了重要进展。《科学》杂志2022年发表的一篇展望文章预测，未来一维材料将在量子计算、能源存储等领域发挥更大的作用。）