科学家解开电子运动的秘密,未来有望实现瓦坎达中的悬浮高速列车

微观人 2021-12-06

瓦坎达科学电子

947 字丨阅读本文需 3 分钟

漫威超级英雄电影《黑豹》(Black Panther)的神秘背景瓦坎达(Wakanda),也有一些不那么神秘的技术。一个坚不可摧的斗篷可能还不可能,但在超导体的帮助下,瓦坎达悬浮的高速列车可能会变成现实。

现在,一项关于电子行为的新发现可能代表着迈向超能力世界的一步。

超导体为电子提供了无电阻的高速公路,因而也为电子提供了无电阻的高速公路。它们有潜力创造出不消耗能量的超高速输电线路,增强核磁共振成像等成像技术,并比火车更悬浮。但是,今天大多数刚起步的超导体都需要极低的温度才能工作。虽然一些科学家希望在正确的材料组合中找到答案,但解决方案可能隐藏在电子如何移动,而不仅仅是它们穿过什么。

在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中,来自哈佛大学和芬兰坦佩雷大学的一组科学家首次描述了电子通过二维高度结构化材料的意想不到的路径:这条路径被称为分支流。当任何一种波——声音、光,甚至是海洋——穿过不平坦的表面,碰撞到树状的、混乱的树枝时,分叉流就发生了。在此之前,从未在如此刚性的二维固体结构中观察到分支流。这一发现有助于解释量子力学如何影响电子行为,也为科学家们提供了一种控制电子路径的方法,以便用“超级导线”创造人工超导体。

“分支流在各种3D、混沌系统中都可以看到,比如气体、海啸,甚至光通过肥皂泡的反弹,但是,没有人想到会在2D周期系统中看到分支流。”物理学前博士后研究员、海勒小组成员、该研究的第一作者Álvar Daza Esteban说。

周期系统是格子,看起来像有序的砖街。在二维材料中,这些结构接近完美,这种完美使电子能够找到超导所必需的无电阻路径。

但人类几乎不可能做到完美。

“人们正试图制造出没有任何缺陷、美观、光滑的超级电线。这基本上行不通。此外,电线最终将需要3D,堆积的晶格层将为电子提供更多的通道,使电子逃逸到不受控制的路径中,并使自身速度减慢,你阻止不了他们。”埃里克·“里克”·海勒说,他是阿伯特和詹姆斯·劳伦斯的化学教授和物理学教授,也是这篇论文的合著者。

挑战在于控制分支流。有些超导体是在声子帮助电子配对时工作的。由于结合的电子群可以以超级导线的形式一起移动,配对科学家们使用超冷温度或极端压力来强迫这些电子组合。这两种方法在实验室外使用仍然风险太大。但如果科学家学会控制新发现的分支流,他们就不需要声子,他们可以通过定制的超细线来匹配制造电子。我们也许可以用它来制造人造超导体。

海勒强调“可能”。该团队计划进一步观察分支电子的行为,并实验如何控制它们的流动。例如,他们将尝试在材料中创造一个弯曲的通道,以潜在地捕捉和指导它们的运动。

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