物理学家偶然发现操纵电荷的新方法 或彻底改变现代技术的未来

图片来源：Hannah Moore/Northeastern University动图截图

人类对电荷的研究已经有几千年的历史了，其结果塑造了现代文明。我们的日常生活依赖于电灯、智能手机、汽车和电脑，这是第一个注意到静电冲击或闪电的人所无法想象的。

现在，美国东北大学的物理学家发现了一种操纵电荷的新方法。这对我们技术未来的变化将是无以伦比的。

“当这样的现象被发现时，想象力就是极限。”物理学副教授Swastik Kar说，“它可能会改变我们检测和交流信号的方式。它可能会改变我们感知事物和信息存储的方式，以及我们可能从未想过的可能性。”

移动、操作和储存电子的能力是绝大多数现代技术的关键，无论我们是想从太阳获取能量，还是在手机上玩植物大战僵尸的游戏。在《纳米尺度》杂志上发表的一篇论文中，研究人员描述了一种让电子做一些全新事情的方法：将它们均匀地分布成一种固定的晶体结构。

“我很想说，这几乎就像是物质的一个新阶段。”Kar说，“因为它完全是电子的。”

这种现象是在研究人员对只有几个原子厚度的晶体材料(即二维材料)进行实验时出现的。这些材料是由重复的原子图案组成的，就像一个无止境的棋盘，非常薄，其中的电子只能在二维空间中移动。

叠加这些超薄材料可以产生不同寻常的效果，因为这些层在量子水平上相互作用。

Kar和他的同事研究了两种二维材料，硒化铋和过渡金属二卤代烃，它们像纸一样叠在一起，然后情况开始变得奇怪的时候。

电子应该互相排斥——它们带负电荷，并远离其他带负电荷的东西。但这并不是这些层中的电子所做的。它们形成了一个固定的模式。

“从某些角度看，这些材料似乎形成了一种共享电子的方式，最终形成了这种几何周期的第三晶格。”Kar说，“一个完全可重复的纯电子水坑阵列，位于两层之间。”

起初，Kar认为这个结果是个错误。二维材料的晶体结构太小，无法直接观察，所以物理学家使用特殊的显微镜发射电子束，而不是光。当电子通过材料时，它们相互干扰，形成一种图案。特定的模式(以及大量数学运算)可以用来重建二维材料的形状。

当结果显示出第三层不可能来自另外两层时，Kar认为在材料的制作或测量过程中出了问题。类似的现象以前也曾被观测到，但只是在极低的温度下。而Kar的观测是在室温下进行的。

“就好像你走进一片草地，看到一棵苹果树上挂着芒果。”Kar说到，“我们当然认为有些地方不对劲。这不可能发生。”

但是，在博士生Zachariah Hennighausen的带领下，经过反复的测试和实验，他们的结果仍然是一样的。在二维材料之间出现了一种新的点状带电斑。这种模式随着两个夹层的方向而改变。

就在Kar和他的团队进行实验研究的时候，东北大学著名物理学教授阿伦·班西尔(Arun Bansil)和博士生塞特·莱恩(Chistopher Lane)正在研究理论可能性，以了解这是如何发生的。

班西尔解释说，当电子被带正电荷的原子核吸引，被带负电荷的电子排斥时，它们就会不停地来回跳动。但在这种情况下，这些电荷的排列方式是将电子聚集成特定的模式。

“它们产生的这些区域，如果你愿意，在潜在的环境中有某种沟壑，这些沟壑足以迫使这些电子产生电荷。”班西尔说，“电子会形成水坑的唯一原因是那里有一个潜在的洞。”

班西尔说，这些沟壑可以说是量子力学和物理因素共同作用的结果。

当两个重复的图案或网格被抵消时，它们就会组合成一个新的图案(你可以在家里通过重叠两个扁平梳子的齿来复制这个图案)。每一种二维材料都有一个重复的结构，研究人员证明，当这些材料堆叠时所形成的图案决定了电子最终会落在哪里。

“这就是量子力学对水坑有利的地方。”Kar说，“它几乎是在引导那些电子水坑停留在那里，而不是其他地方。它很吸引人。”

虽然对这一现象的了解仍处于初级阶段，但它有可能影响电子、传感和探测系统以及信息处理的未来。

“在这一点上，令人兴奋的是能够潜在地证明一些人们以前从未想到在室温下会存在的东西。”Kar说，“现在，如何驾驭它的极限是没有上限的。”

原文来源：https://phys.org/news/2020-02-physicists-accidentally-state.html

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