科学家查明无质量的“狄拉克电子”的特异行为

2016-09-060阅读0

  日本东京大学、东北大学、东京理科大学、名古屋大学以及法国格勒诺布尔国家科学研究中心组成的研究小组2016年9月1日宣布,通过对狄拉克电子间电子相互作用强烈的分子晶体进行核磁共振实验和理论计算,发现了狄拉克电子的相互作用引发的特异行为。

  

分子晶体α-(ET)2I3中狄拉克电子的速度增大

  与电子间没有电斥力(相互作用)时(半透明的灰色圆锥状分布)相比,有斥力时(内侧压扁的圆锥状分布)电子的速度(=圆锥斜面的斜率)在斜面的不同位置表现出不同程度的增大(图:东京大学的发布资料)

  物质中的电子在特定条件下,有时会表现出质量为零的行为。这种质量为零的特异粒子叫作“狄拉克电子”。狄拉克电子首先在单层剥离石墨获得的石墨烯中被发现,之后,科研人员又在只有表面表现出金属传导特性的特殊绝缘体及相关物质,以及分子晶体等中发现了狄拉克电子,近年来,围绕“狄拉克物质”开展的科学研究越来越广泛。

  

分子晶体α-(ET)2I3中的亚铁磁性的模式图

  在电子间电斥力(相互作用)的作用下,电子自旋(箭头)的方向仅在B位点与磁场方向(图中为向上)相反(图:东京大学的发布资料)

  狄拉克电子间的电、磁相互作用有可能表现出与普通物质完全不同的电子集体行为(社会性)。以石墨烯为例,这种相互作用的结果是,在物质内活动的电子的速度(与常规相反)存在异常增大的现象。但是,因为石墨烯本身电子间的电、磁相互作用弱,所以迄今为止,人们还不完全清楚狄拉克物质的“电子社会”的多样性。

  研究人员这次将目光投向狄拉克电子社会的相互作用强于石墨烯的分子晶体,进行了核磁共振实验和理论计算,结果发现了以下3种效应。

  第1种效应是“粒子速度异常增大”,这是通过测定核磁共振实验中名为“奈特位移”的物理量,并结合使用“重整化群”理论方法发现的。需要注意的是,与石墨烯表现的该效应不同,根据粒子进行方向的不同,速度的增大率也各不相同。

  第2是含有有质量的电子的物质也存在的“粒子动能受到抑制的效应”,这也是以重整化群为基础,通过对奈特位移的实验结果进行定量分析发现的。

  第3是在晶体周期的最小结构单位——晶胞内,外部磁场会诱发“亚铁磁性”状态,也就是多个分子位点中的特定位点之间的自旋互为逆向排列。利用研究相互作用的标准模型——赫巴德模型进行模型分析的结果表明,这一效应源于相互作用。

  此次的研究结果证明,狄拉克电子建立的社会具有新颖性和多样性,有望成为今后探索新物性和材料的重要指导方针。研究成果已于2016年8月31日发表在英国科学杂志《自然通讯》(Nature Communications)的网络版上。(特约撰稿人:工藤宗介)

  (全文完)