“同性相吸”的电子

  电子带负电荷，因而其互相之间有静电排斥力。不过，有科学家提出，正是在这种静电排斥力的影响下，电子之间可能会产生相互吸引作用。近日，这项五十年前的理论成果终于得到了实验证实。电子间吸引作用的激子机制示意图：图a是物理学家五十年前的理论模型，图b是Hamo团队在近期研究成果中的实验装置。（图片来自：Nature）库伦定律描述了两个带电粒子之间的相互作用规律，例如，两个带负电的电子会产生静电排斥作用，目前该定律已经在实验中得到了广泛的验证。但除此之外，存在于物质中的电子也是有一定的概率会产生相互吸引作用的。最近，Hamo等在《自然》（Nature）上发表了一项研究成果，论证了在没有电子-声子作用的情况下电子间吸引作用的产生机制。该研究成果证实了物理学家William Little五十年前提出的理论：在固体中其他电子的影响下，两个电子间的作用力可能会由排斥变为吸引。电子之间有相互吸引作用，是解释传统超导机制的理论核心。根据BCS理论（Bardeen-Cooper-Schrieffer theory），在晶格振动（即声子）的影响下，电子与电子之间会产生相互吸引作用，该过程限制了超导现象的形成条件，例如声子的特征能量（德拜频率）影响了超导临界温度，只有在低于该临界温度时，材料才会转变成超导体。在BCS理论出现后不久，Little提出了一种不同的“激子”吸引机制，该机制与上述“电声耦合”机制类似，提出在其他电子的排斥作用影响下，电子与电子间可能会产生相互吸引作用。Little在阐释激子机理时，引入了一个双电子体系和一个可极化分子。为了简化问题，本文把这个可极化分子看作是双原子分子，在分子的两个原子间，存在一个可以自由移动的电子。首先，双电子体系中的某一电子会对分子中的电子产生排斥作用，进而形成一个带正电的小区域，接着，这一带正电的小区域又会吸引双电子体系中的另一电子，这整个过程就等于，双电子体系中的两个电子间产生了相互吸引作用。激子机制的特征能量实际上的意思就是可极化分子中电子的两个状态之间的能量差，即成键态与反成键态之间的能量差，从理论上来讲，这比许多金属中的德拜频率要大的多。在该理论提出时，电声耦合机制控制下的超导临界温度仅为几个开尔文，通过激子机制来提高超导临界温度的希望很大，这类高温超导体的实用价值一时吸引了大量的理论与实验工作。研究人员也曾认为激子机制是有机超导体的超导机制，但在多年的激烈争论后，目前一致认为事实并非如此。在寻找由激子机制控制的超导体时，研究人员要面对两个核心问题：一方面，该超导材料要适用Little理论，另一方面，材料中的激子机制要能引发超导现象。Hamo等研究人员尝试将这两个问题分开解决，先想办法论证材料中确实存在有这种电子相互吸引的机制，而不要求材料具备超导特性。此外，研究人员在实验中所采用的材料是用纳米尺度的工程技术构建出来的，而并非自然界中的某种材料。与Little的构想不同，Hamo等用人造分子代替可极化分子，该人造分子是放置在微晶片上的碳纳米管中的一对势能阱，同时，研究人员在另一微晶片上的碳纳米管中构建出双电子体系。接着，研究人员在扫描探针显微镜中移动碳纳米管，使两根碳纳米管互相垂直叠放，如示意图所示。随后，将装置冷却到低温（约10毫开尔文），继续移动碳纳米管，使其相互靠近至100纳米左右。这样一来，研究人员就可以观察到人造分子对双电子体系的影响，更具体而言，可以观察到两电子间会不会产生了相互吸引作用。Hamo等设计的这一实验装置有几个关键之处。一方面，他们所采用的碳管几乎不含任何杂质，因此，作用于碳管中电子的电场力能得到准确地控制；另一方面，该实验装置能精确拆装Little构想中的基本元件（双电子体系与可极化分子），研究其形成与相互作用。与真实分子不同，研究人员采用的人造分子能够最终靠电流测量与电荷传感的方法，直接表征出实验所涉及的各能量大小。例如，经过测量碳纳米管中内置电量计的信号，或经过测量器件中电流随外加电压的变化，就能很容易地确定体系中电子的相互作用。研究人员正是在这些技术的帮助下，推断电子间出现了相互吸引作用，证实了Little所提出的激子机制。在这一发现的引导下，研究人员有一定的概率会设计出新型超导体。然而，要想把该实验中的材料放大到哪怕是短短的一条链，都极其困难，更不用说要制备出一整块晶体了。另一方面，激子机制或许只能在低维物理系统中占优势，如果是这样，那么激子机制所引发的超导效应会不可避免地与其他影响电子运动的效应相竞争，例如，系统中可能会形成电荷密度波，阻碍其进入超导态。此外，成键-反成键轨道分裂会导致电子间相互吸引作用出现的温度更低，达到亚开尔文级。不过，这类非电声耦合机制的电子间相互吸引作用具有一般性，有望推广到更多的材料体系中去。尽管Hamo等人的装置无法发展成实用的激子超导体，但该装置能用于这类超导材料的量子模拟，进行基础研究。“同性相吸”的电子也有望加入纳米科学领域的量子大家庭，在纳米尺度问题的研究中发挥及其重要的作用。