Only Perception: 迪拉克電子在鉍當中的相變

2008-07-26

迪拉克電子在鉍當中的相變

The Lightness of Electrons in a Twisting Metal Crystal
http://www.physorg.com/news136217828.html

July 25, 2008

(PhysOrg.com) -- 一個在普林斯頓（Princeton）大學材料研究科學與工程中心的研究團隊觀察到，當電子移動通過鉍金屬的結晶體時其表現猶如光。

這項發現，由 NSF 所支持並在今日 Science 期刊上詳述，將導致新的電子裝置類型出現。

電子，一如微小的棒球，在空間中飛行。當一個電子的速度在結晶體的原子週期性排列之間時，其表現會十分不同。描述其在結晶體中運動的基本方程式與那些自由飛行的棒球十分不同。例如，在鉍中，電子運動的基本方程式，與那些描述光的行為的十分類似。雖然電子在結晶體四周疾馳時速度比光速低，但這些電子的行為舉止猶如它們沒有質量，和光子一樣，那是光的最小單位。

超過十年以前，由 NSF 所支持的理論物理學家研究被限制在以半導體製成之人造成層材料的電子。他們預測，由量子力學的法則所統治的新電子事件類型將從不同層的電子中浮現，協調它們的運動。科學家提出假說，鉍結晶體應該也會展現出類似的電子態（electronic states）。

這個普林斯頓小組，由物理學家 N. Phuan Ong 所領導，將鉍的結晶體固定在懸臂樑上，並將這套設備置於由 NSF 國家高磁場實驗室所創造的高磁場中，這個實驗室能創造出比地磁強 100 萬倍以上的磁場。

在如此巨大的磁場中，懸臂樑扭轉（twists）了。它扭轉的方式向普林斯頓研究者吐露這種在鉍結晶體中難以捉摸的新事件類型。

在鉍的單晶中，電子通常被限制在一種複雜抽象地景中的三處山谷，科學家用這種地景來描繪在結晶結構中一個電子的能量。透過謹慎研究懸臂樑的扭轉，他們觀察到一種轉變：在一場由量子力學的基本法則所精心安排的舞會中，電子從只偏好佔據一處山谷的狀態，轉變成在所有山谷中共享它們的時間。

"這令人振奮，因為這先前已被預測過了，但未曾證明過，而且它終將導致運算與電子學的新典範，" Thomas Rieker 說，NSF 材料研究中心計畫主管。

透過這項研究，電動力學的理論指出半導體電子態一種豐富的地景，而普林斯頓研究者將繼續他們的探險。有朝一日，這些新發現的電子態事件，也許使強大的新電子裝成為可能，那利用量子力學的原理來運算與通訊。

※ 看它的摘要應該可以更了解上面在說什麼，相關報導中也有類似實驗。

＊ Phase Transitions of Dirac Electrons in Bismuth
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5888/547

Lu Li, J. G. Checkelsky, Y. S. Hor, C. Uher, A. F. Hebard,
R. J. Cava, N. P. Ong
Science 25 July 2008: Vol. 321. no. 5888, pp. 547 - 550
DOI: 10.1126/science.1158908

The Dirac Hamiltonian, which successfully describes relativistic fermions, applies equally well to electrons in solids with linear energy dispersion, for example, in bismuth and graphene. A characteristic of these materials is that a magnetic field less than 10 tesla suffices to force the Dirac electrons into the lowest Landau level, with resultant strong enhancement of the Coulomb interaction energy. Moreover, the Dirac electrons usually come with multiple flavors or valley degeneracy. These ingredients favor transitions to a collective state with novel quantum properties in large field. By using torque magnetometry, we have investigated the magnetization of bismuth to fields of 31 tesla. We report the observation of sharp field-induced phase transitions into a state with striking magnetic anisotropy, consistent with the breaking of the threefold valley degeneracy.