Only Perception: 物理學家提供鐵氮族化合物的新理論

2010-05-31

物理學家提供鐵氮族化合物的新理論

Physicists offer new theory for iron compounds
http://www.physorg.com/news156094850.html

March 12th, 2009

一個來自美國與中國的跨國物理學家團隊，本週提出一項新理論，同時解釋與預測新高溫超導體類型的複雜量子行為。

這些發現（可在本週的 PNAS 的網站上取得）與所謂的氮族化合物（pnictides，發音為 NIK-tides，譯註：指週期表 V 族元素的化合物，氮族元素則被稱為 pnictogen）有關。一年前在 pnictides 中所發現高溫超導體對於奮鬥超過二十年、想要解釋那些從基於銅基超導體 -- 稱為銅氧化物（cuprates，發音為 COO-prayts） -- 之觀察所獲得之現象的科學家而言，是一種恩賜。

"我們的研究處理了量子磁性波動的問題，那已在鐵氮族化合物中被觀察到，並提供一種理論來解釋，電子--電子交互作用如何統御這種行為，" 研究共同作者 Qimiao Si 表示，一位來自 Rice 大學的物理學家。"超導性的起源據信根源於這些效應，故了解它們非常重要。"

在這篇 PNAS 論文中，Si 以及來自 Rutgers 大學、浙江（Zhejiang）大學以及 LANL 的同僚解釋 cuprates 與 pnictides 之間的相似性與相異性。在某些情況下，這些材料中的原子排列導致電子集體行動（behave collectively），彼此以密集、連續的步伐前進。實驗物理學家研究溫度、磁場如何改變，以及變化之協同效應（coordinated effects）的可能起因。他們也在尋找以不同方式製備之化合物所導致的變化，例如透過一種稱為「摻雜（doping）」的技術，將其他物質加入其中。

"在 cuprates 中，母化合物（parent compounds）並非金屬，而且只有當它們被摻雜時，它們才會變成超導體，" Rutgers 大學物理學家、共同作者 Elihu Abrahams 表示。"相較之下， pnictides 的母化合物是金屬，但如同未摻雜的 cuprates 它們展現出一種稱為抗鐵磁性（antiferromagnetism）的量子力學特性。"

基於所謂的電子--電子交互作用以及其他金屬中的抗鐵磁性，作者們創造出一種理論性架構來解釋 pnictides 的行為，並對於相變時它們將如何表現提供某些科學預測。

物質通常在相變化時改變；例如冰塊的融化，讓水從固相變成液相。在 cuprates 與 pnictides 這樣的材料中，電子會協同作用的傾向能導致「量子」相變化，從某一相轉變到另一相，那完全從次原子粒子的運動出現。

量子「臨界點」的研究 -- 標誌著這些相變化的轉捩點 -- 稱為「量子臨界性（quantum criticality）」。

"我們的研究使鐵氮族化合物成為研究量子臨界性之高度複雜性的一種新設置，" Si 說。"此為迫切需要，因為量子臨界點據信，對於一系列廣泛的量子材料而言很重要，到目前為止只有少量材料被觀測到。"

※ 相關報導：

＊ Iron pnictides as a new setting for quantum criticality
http://www.pnas.org/content/106/11/4118.abstract