復雜材料的性能往往由幾種電子性能的相互作用決定，科學家現(xiàn)在已成功地解決了這一亂局：只有在極低的溫度下才有秩序。在維也納理工大學，材料被冷卻到幾乎接近絕對零度，因此電子占據(jù)不同的狀態(tài)相當隨機，顯示出一定的規(guī)律。

但即使是這樣的極冷電子行為也很難理解，一方面因為電子之間相互影響很大，不能單獨描述，另一方面因為不同的電子特性同時發(fā)揮作用。

然而，現(xiàn)在維也納理工大學的實驗使這一認識變得更加容易：它有可能影響電子各自不同的特性。因此，緊密交織的量子現(xiàn)象可以單獨理解，其研究結(jié)果發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。假設有一大袋棋子，把它們一個接一個地放在棋盤上，直到放滿了為止。創(chuàng)建有序模式有不同的方法：例如，總是可以交替放置白色和黑色塊，也可以忽略顏色，交替放置騎士和車，或者考慮更復雜的順序模式，結(jié)合顏色和圖形類型。

這與固體中的電子相似：就像在棋盤上一樣，電子的位置是有規(guī)律地排列，就像棋子一樣，電子有不同的屬性，可以用來創(chuàng)造秩序。電子最簡單的特性是電荷——電荷負責電流的流動。然而，所有電子的電荷都是一樣。如果考慮電子自旋，事情會變得更有趣，對于自旋，總是有兩種不同的可能性，磁性是由固體中電子自旋的規(guī)則排列決定。然而，對于局域電子，還有另一個性質(zhì)，另一個自由度，它起著重要的作用，那就是軌道自由度。如果一個電子被束縛在某個原子上，就可能有不同的空間排列。

量子物理學允許電子和原子之間有不同的幾何關(guān)系——這也允許固體中有序的結(jié)構(gòu)，例如許多相同的原子排列在晶體中，并且每個原子都有一個處于相同軌道狀態(tài)的電子。研究了一種由鈀、硅和鈰組成的材料，并專注于鈰原子上的電子，以及可以在晶體中自由移動的傳導電子。在導電電子的幫助下，可以影響鈰原子中電子的順序，包括它們的自旋自由度和軌道自由度，這是通過屏蔽來實現(xiàn)的。傳導電子實際上可以隱藏固定電子的自旋和軌道狀態(tài)，這被稱為近藤效應，這意味著秩序已經(jīng)不可能了。

正如現(xiàn)在所顯示的，借助于微小的磁場變化，這兩個自由度的順序可以在非常低的溫度下分別打開和關(guān)閉。量子系統(tǒng)的秩序在某些情況下崩潰或重新出現(xiàn)的事實并不新鮮，但有一個系統(tǒng)，可以根據(jù)在高溫下緊密交織的兩個不同自由度，分別啟動和關(guān)閉順序，這就相當了不起。這種可能性現(xiàn)在可以幫助發(fā)現(xiàn)復雜材料的特別有趣特性，有理由認為，軌道自由度在非常規(guī)超導現(xiàn)象中也扮演著重要角色，現(xiàn)在有了一種新的儀器，可以更好地理解這種技術(shù)上的重要影響。

博科園｜研究/來自：維也納科技大學

參考期刊《美國國家科學院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1908101116

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