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rlafite木蟲 (正式寫手)
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現(xiàn)在你看得到它，轉(zhuǎn)眼又看不到：材料可在量子態(tài)之間切換
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現(xiàn)在你看得到它，轉(zhuǎn)眼又看不到：材料可在量子態(tài)之間切換 ——美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室 由美國能源部（DOE）Argonne National Laboratory領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家，在一種新型硫化鎳材料中發(fā)現(xiàn)了一種罕見且可切換的量子特性。這一發(fā)現(xiàn)有望應(yīng)用于高速晶體管、自適應(yīng)傳感器以及其他需要實(shí)時(shí)調(diào)控材料電子結(jié)構(gòu)的器件。相關(guān)研究發(fā)表在期刊 Matter 上。 該化合物 KₓNi₄S₂（0 ≤ x ≤ 1）由鎳和硫構(gòu)成的層夾在鉀層之間�！�(0 ≤ x ≤ 1)”表示材料中的鉀含量可以從完全沒有鉀到每個(gè)結(jié)構(gòu)單元含有一個(gè)完整的鉀原子，具體取決于樣品。 這一材料最早在2021年的一篇論文中被詳細(xì)報(bào)道，最初是作為開發(fā)更多超導(dǎo)體研究的一部分而合成的。在研究其層狀結(jié)構(gòu)特性時(shí)，研究人員偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非凡的現(xiàn)象：施加電流可以將鉀層驅(qū)逐出去，使“夾層結(jié)構(gòu)”塌縮，從而改變材料的結(jié)構(gòu)。 這一過程是可逆的，使得同一種材料可以呈現(xiàn)兩種不同的量子特征：狄拉克錐（Dirac cones）和平帶系統(tǒng)（flat bands）。 “你可以調(diào)節(jié)從材料中移除的鉀的多少，從完全移除到完全保留，以及中間的任意狀態(tài)。這意味著你可以在同一材料中在不同量子態(tài)之間切換，”西北大學(xué)教授、同時(shí)也是阿貢國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家的 Mercouri Kanatzidis 表示，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。 “我無法說出還有哪種材料能做到這一點(diǎn)——即使存在，也并不為人熟知。” 參與該研究的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室主要成員還包括首席材料科學(xué)家 Duck Young Chung、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的聯(lián)合任命研究員 Hyowon Park，以及博士后研究員 Hengdi Zhao 和 Xiuquan Zhou（現(xiàn)為喬治城大學(xué)助理教授）。 狄拉克錐和平帶可以充當(dāng)電子（帶負(fù)電的亞原子粒子）的“交通調(diào)度器”。在狄拉克錐中，電子表現(xiàn)得質(zhì)量很小，能夠高速運(yùn)動(dòng)；而在平帶中，同樣的電子則表現(xiàn)出較大的有效質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)速度顯著降低。 研究人員在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的納米尺度材料中心（CNM）制備了該材料樣品，并利用實(shí)驗(yàn)室計(jì)算資源中心的 Bebop 高性能計(jì)算集群計(jì)算其電子結(jié)構(gòu)。 他們還在先進(jìn)光子源（APS）對(duì)樣品進(jìn)行觀測(cè)，從而驗(yàn)證了 KₓNi₄S₂（0 ≤ x ≤ 1）中這兩種量子態(tài)的共存。CNM 和 APS 均為美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。 這并不是 Kanatzidis 團(tuán)隊(duì)首次在超導(dǎo)材料研究中獲得意外發(fā)現(xiàn)。此前，一種最初被設(shè)計(jì)為潛在超導(dǎo)體的化合物雖未實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性能，但卻成為電池及其他能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)良候選材料。 Kanatzidis 還研究了用于下一代光伏技術(shù)的鹵化物鈣鈦礦材料，并因此于2026年獲得了美國化學(xué)學(xué)會(huì)的威廉·H·尼科爾斯獎(jiǎng)?wù)隆?br /> 開發(fā)這些新型化合物的基礎(chǔ)科學(xué)研究的最終目標(biāo)，是發(fā)現(xiàn)新的量子材料和超導(dǎo)體。在這一過程中，每一步都帶來了重要見解，例如開發(fā)出一種用于發(fā)現(xiàn)和合成含有兩種或更多元素的晶體材料的新方法。KₓNi₄S₂（0 ≤ x ≤ 1）正是通過這種方法制備的。 “該材料中較高含量的鎳意味著鎳原子之間必須相互作用并形成鍵，這正是我們認(rèn)為其產(chǎn)生這些有趣性質(zhì)的原因，”Kanatzidis 表示。 “我們現(xiàn)在對(duì)這類化合物形成機(jī)制有了更深入的理解，接下來希望將這種合成方法推廣，以發(fā)現(xiàn)更多類似材料。” Publication details Hengdi Zhao et al, Evolution from topological Dirac metal to flat-band-induced antiferromagnet in layered KxNi4S2 (0 ≤ x ≤ 1), Matter (2026). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102418 |
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