超导连接：晶体条带和量子电子的行为

一个隐藏的电子图案可以提供关于奇异量子行为的线索。理化学研究所物理学家的一个意外发现表明，晶体中隐藏的条纹可以帮助科学家理解某些量子系统中电子的神秘行为，包括高温超导体。

大多数材料中的电子之间的相互作用非常弱。但是，物理学家经常在电子相互作用强烈的材料中观察到有趣的特性。在这些材料中，电子经常集体表现为粒子，产生了"准粒子"。

理化学研究所新兴物质科学中心的克里斯托弗-巴特勒说："一个晶体可以被认为是一个具有不同物理定律的替代宇宙，允许不同的基本粒子生活在那里。"

巴特勒及其同事研究了一种晶体，其中一层镍原子被安排在一个方形晶格中，就像一个棋盘。单个电子的质量很小，但在这种晶体中，它们看起来是无质量的准粒子。

研究小组开始使用扫描隧道显微镜来研究这种奇怪的效果，但事实证明这具有挑战性。这台核桃大小的显微镜被安置在一个真空室里，周围是一屋子的设备，这些设备创造了与月球表面相当的低温和超低压力。

巴特勒说："为了检验这些晶体的原始表面，我们试图裂开一个小片，就像地质学家那样。但是我们必须在真空中做这件事，而且这些晶体非常脆，在这种环境下容易爆炸变成灰尘。"

经过无数次的尝试，他们成功了，用显微镜扫描片状物，用一个类似唱机的小针，在它上面加电压，改变电压使他们能够探测到不同的特征。

理化学研究所的物理学家观察到，电子在镍晶体的方形原子晶格（底部一层）上方形成条纹状排列。

研究小组证实，镍原子是以棋盘式的排列方式排列的。但令他们惊讶的是，电子打破了这种模式，令其以条纹的形式排列（如图）。这就是所谓的非对称性--系统中的相互作用使电子显示的对称性低于底层材料。

巴特勒将这一发现比作站在池塘边扔进一个小石子。他说："你会期望看到圆形的涟漪，所以如果你看到涟漪出现在平行线上，你就会知道发生了一些奇怪的事情。它需要一个解释"。

这样的实验将帮助物理学家测试关于具有许多粒子相互作用的量子系统行为的不同拟议理论，例如高温超导体。例如，这些新结果符合日本名古屋大学该研究的共同作者所提出的"密度波"框架的预测。

"许多相互作用的电子的行为即使用超级计算机也很难预测，"巴特勒说。"但至少我们可以在显微镜下观察它们在做什么。"