奇怪的电子行为变得更加奇怪：光谱观察到的电荷分裂

穿过戈薇金属 Fe3Sn2 的电子会受到平带附近的影响（由顶部球在平坦表面上的反射所示）。这会导致电子电荷被细分或分裂（此处通过下部球的外观显示）。研究人员现在已经通过光谱观察到了这种效应。图片来源：Paul Scherrer Institute / Sandy Ekahana

由保罗谢勒研究所领导的一个研究小组通过光谱观察了铁基金属铁磁体中电子电荷的分裂。对这一现象的实验观察不仅具有根本重要性。由于它在可达到的温度下出现在普通金属的合金中，因此它具有未来在电子设备中开发的潜力。该发现已发表在《自然》杂志上。

基本量子力学告诉我们，电荷的基本单位是牢不可破的：电子电荷是量子化的。然而，我们已经认识到例外是存在的。在某些情况下，电子将自身排列在一起，就好像它们被分裂成独立的实体一样，每个实体都拥有一小部分电荷。

电荷可以被分数化的事实并不新鲜：自 20 世纪 80 年代末以来，人们就通过分数量子霍尔效应在实验中观察到了这一点。在这种情况下，电子被限制在二维平面内的系统的电导被观察到以分数（而不是整数）电荷单位量化。

霍尔效应通过现象的宏观表现（电压）提供了电荷分级的间接测量。因此，它没有揭示分数电荷的微观行为——动力学。该研究小组由瑞士和中国的机构合作组成，现已通过激光照射时铁磁体发射的电子光谱揭示了这种动力学。

推动电子做出奇怪的行为

为了分解电荷，你需要将电子带到一个奇怪的地方，在那里它们不再遵循正常规则。在传统金属中，电子通常在材料中移动，除了偶尔出现的凸块之外，通常会相互忽略。他们拥有一系列不同的能量。它们所在的能级被描述为“色散带”，其中电子的动能取决于它们的动量。

在某些材料中，某些极端条件会促使电子开始相互作用并集体表现。平带是材料电子结构中的区域，其中电子全部处于相同的能态，即它们具有几乎无限的有效质量。在这里，电子太重而无法相互逃逸，并且电子之间存在强烈的相互作用。

稀有且广受欢迎的平带可以导致包括奇异形式的磁性或拓扑相（例如分数量子霍尔态）在内的现象。

为了观察分数量子霍尔效应，需要施加强磁场和极低的温度，这会抑制电子的动能并促进强相互作用和集体行为。

研究团队可以通过不同的方式实现这一目标，无需应用强磁场：通过创建晶格结构来降低电子动能并允许它们相互作用。这种格子就是日本编织的竹制“kagome”垫，其特征在于数量惊人的大量化合物中的原子层。

他们在 Fe3Sn2 中发现了这种化合物，这是一种仅由常见元素铁 (Fe) 和锡 (Sn) 组成的化合物，这些元素根据角点的 kagome 图案组装而成。共享三角形。

激光 ARPES 可以更近距离地观察

研究人员并没有打算观察 kagome Fe3Sn2 中的电荷分裂。相反，他们只是想验证这种铁磁材料是否存在预测的平带。

他们利用日内瓦大学的激光角分辨光电子能谱（激光 ARPES）以非常小的光束直径，以前所未有的分辨率探测材料的局部电子结构。

“kagome Fe3Sn2 中的能带结构会有所不同，具体取决于您探测的铁磁畴。我们有兴趣了解，使用微聚焦光束是否可以可以检测到与之前遗漏的域相关的电子结构中的不均匀性，”PSI 量子技术小组的博士后研究员、该研究的第一作者 Sandy Ekahana 说。

电子口袋和碰撞带

研究小组专注于某些晶体域，发现了一种称为电子袋的特征。这些是材料电子能带结构动量空间中电子能量最低的区域，有效地形成电子“悬挂”的口袋。在这里，电子表现为集体激发或准粒子。

通过仔细检查，研究人员发现了电子能带结构中的奇怪特征，这些特征无法用理论完全解释。激光 ARPES 测量揭示了色散带，该色散带与密度泛函理论 (DFT) 计算不匹配，密度泛函理论 (DFT) 是研究材料中电子相互作用和行为的最成熟的方法之一。

“经常会发生 DFT 不太匹配的情况。但仅从实验的角度来看，这条带非常奇特。它非常尖锐，但随后突然切断。这不正常 - 通常，带是连续的”，PSI 科学家、该研究的通讯作者 Yona Soh 解释道。

研究人员意识到，他们正在观察一个色散带与一个平坦带相互作用，洛桑联邦理工学院的同事预测这种情况存在。平带与色散带相互作用的观察本身就引起了人们的浓厚兴趣：人们相信，平带和色散带之间的相互作用允许出现新的物质相，例如“边缘”金属，其中电子的移动距离不会比色散远得多。它们的量子波长和特殊的超导体。

“关于平带和色散带之间的相互作用已经有很多理论讨论，但这是第一次通过光谱发现由这种相互作用引起的新带，”Soh 说。

电荷的分次化

这一观察的后果更为深远。当两个乐队相遇时，他们会杂交形成一个新乐队。原来的色散带被占据。平带处于未占据状态，因为它位于费米能级之上，这一概念描述了占据和未占据能级之间的界限。当新带创建时，电荷在原始色散带和新带之间分配。这意味着每个带仅包含一小部分电荷。

通过这种方式，Ekahana 及其同事的测量提供了电荷分级的直接光谱观察。

"提出这项研究的 PSI 光子科学部门负责人、洛桑联邦理工学院 (EPFL) 和苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich) 教授加布里埃尔·埃普利 (Gabriel Aeppli) 表示：“实现和观察电荷分裂状态不仅从基础研究的角度来看令人兴奋。” “我们在较低但仍相对容易接近的温度下在普通金属合金中观察到了这一点。这使得值得考虑是否存在可能利用碎片化的电子设备。”

5-w更多信息：Yona Soh，金属戈薇铁磁体中的反常电子，自然 (2024)。 DOI：10.1038/s41586-024-07085-w。 www.nature.com/articles/s41586-024-07085-w

期刊信息：Nature

来自：量子梦