电子在导电材料中移动，就像曼哈顿高峰时段的上班族一样。这些带电粒子可能会相互碰撞，但在大多数情况下，它们与其他电子无关，各自带着自己的能量向前飞奔。但是，当一种材料的电子被困在一起时，它们就会进入完全相同的能量状态，并开始表现得像一个整体。科学家们预测，当电子处于这种状态时，它们会开始感受到其他电子的量子效应，并以协调的量子方式行动。然后，超导性和独特形式的磁性等奇异行为可能会出现。

据科技日报，据最新一期《自然》杂志，美国麻省理工学院物理学家成功地在纯晶体中捕获到电子。这是科学家首次在三维(3D)材料中实现电子平带。通过一些化学操作，研究人员还展示了他们可将晶体转变为超导体。这一成果为科学家在3D材料中探索超导性和其他奇异电子态打开了大门。

电子平带的概念和意义

电子平带是指一种物理状态，其中一种材料的电子具有完全相同的能量，而不管它们在空间中的位置如何。这种状态类似于一个平面，没有任何起伏和波动，因此被称为电子平带。

电子平带是一种非常特殊和稀有的物理状态，它在物理学中具有重要的意义和价值。因为当电子处于电子平带时，它们会表现出一些非常奇异和有趣的行为，例如：电子会形成一种集体的量子态，即所有的电子都以一种协调的方式运动，就像一个整体一样。这种量子态可以产生一些新的物理效应，如超导、拓扑绝缘、量子霍尔效应等。

电子会受到其他电子的量子相互作用的影响，即电子之间会通过交换虚光子等方式产生一种微弱的力，这种力会影响电子的能量和行为。这种量子相互作用可以导致一些新的物理现象，如超流、超固、超磁性等。电子会受到外部场的量子调控的影响，即电子的能量和行为会随着外部的电场、磁场、光场等的变化而变化。这种量子调控可以实现一些新的物理功能，如量子开关、量子存储、量子计算等。

综上所述，电子平带是一种非常有趣和有用的物理状态，它可以为科学家探索新的物理现象和规律，为工程师设计新的物理设备和功能，为人类的科技进步和社会发展提供新的契机和可能。

电子平带的实现是一项非常困难和挑战的任务，因为它需要一种特殊的材料，其原子的排列方式和电子的运动方式，必须满足一些严格的条件和要求。例如，材料必须是纯净的，没有任何的杂质和缺陷，否则会破坏电子的均匀性和稳定性。材料必须是低维的，即只有一维或二维，否则电子会在三维空间中分散和扩散，导致能量的不均匀和变化。材料必须是平滑的，没有任何的起伏和波动，否则电子会受到势能的影响，导致能量的上升和下降。

由于这些条件和要求的限制，科学家在实现电子平带方面，只取得了一些有限的进展和成果。例如，科学家在一些一维或二维的材料中，如碳纳米管、石墨烯、过渡金属硫化物等，观察到了电子平带的迹象和证据。但是，这些材料都有一些缺点和不足，如难以制备、难以测量、难以调控等，导致电子平带的实现和应用受到了很大的限制和困难。

平带态难以在二维中维持

近年来，物理学家已经成功地在二维材料中捕获电子并确认其电子平带状态。但科学家们发现，被困在二维中的电子很容易从三维中逃逸出来，这使得平带态难以在二维中维持。在他们的新研究中，Checkelsky、Comin 和他们的同事希望在三维材料中实现平带，这样电子就会被困在所有三个维度中，任何奇异的电子状态都能得到更稳定的维持。他们认为，"Kagome"可能会在其中发挥作用。

在之前的工作中，科学家们观察到二维原子晶格中的电子被捕获，这种晶格类似于一些可果美的图案。当原子排列成相互连接、共用边角的三角形图案时，电子被限制在三角形之间的六边形空间内，而不是在晶格中跳跃。但是，和其他研究人员一样，研究人员发现电子可以向上逸出晶格，穿过三维空间。

研究小组想知道 由类似晶格组成的三维结构能否将电子封闭起来？他们在材料结构数据库中寻找答案，发现了一种原子的特定几何构型，一般被归类为火成岩--一种原子几何高度对称的矿物。火成岩的三维原子结构形成了一个重复的立方体图案，每个立方体的表面都像一个Kagome状的晶格。他们发现，从理论上讲，这种几何结构可以有效地将电子俘获在每个立方体中。

为了验证这一假设，研究人员在实验室中合成了一种烧绿石晶体。“这与自然界制造晶体的方式并无二致，"Checkelsky 解释说。"我们把某些元素放在一起--在本例中是钙和镍--在极高的温度下熔化它们，然后冷却，原子本身就会排列成这种晶体状的Kagome构造。”随后，他们测量了晶体中单个电子的能量，看它们是否确实属于同一平坦的能量带。要做到这一点，研究人员通常要进行光发射实验，在实验中，他们将单个光子照射到样品上，进而发射出单个电子。然后，探测器可以精确测量单个电子的能量。

科学家利用光发射来确认各种二维材料中的平带状态。由于这些材料在物理上是平面的、二维的，因此使用标准激光进行测量相对简单。但对于三维材料来说，这项任务更具挑战性。科明解释说：“这个实验通常需要一个非常平整的表面。但如果你观察一下这些三维材料的表面，它们就像落基山脉一样，呈现出非常波状的地貌。在这些材料上进行实验非常具有挑战性，这也是没有人证明它们能承载被困电子的部分原因。”

首次在三维(3D)材料中实现电子平带

每个电子都有自己的能量。但当一种材料的电子被困在一起时，它们可以进入完全相同的能量状态，仿佛合而为一。这种集体行为在物理学中被称为电子“平带”。科学家预测，当电子处于这种状态时，会受到其他电子量子效应的影响，并以协调的量子方式行动，然后就可能出现超导和独特形式的磁性等奇异行为。

由于晶体的原子几何结构，实现电子的俘获状态是可能的，这种合成晶体的原子排列方式类似于日本编篮艺术“笼目”中的图案。在这种特殊的几何结构中，电子并没有在原子之间跳跃，而是被“关在笼子里”，并稳定地处在相同能带中。

研究人员说，这种平带状态几乎可用任何原子组合来实现，只要它们排列在特定的3D“笼目”几何结构中即可。这一结果为科学家探索3D材料中的稀有电子态提供了一种新方法，将这些材料进一步优化，最终有望带来超高效率的输电线、超级计算量子位以及更快、更智能的电子设备。

研究人员在实验室用钙和镍合成了一种烧绿石晶体。通过角分辨光电子能谱，他们在大约半小时内测量了合成晶体样品中数千个电子的能量，发现绝大多数晶体中的电子表现出完全相同的能量，证实了3D材料的平带状态。研究人员用铑和钌合成了相同的晶体几何结构，他们计算出，这种化学交换应该会将电子的平带转变为零能量，这种状态会自动导致超导。结果表明，当元素组合略有不同并合成一种新晶体时，在相同的类似笼目的3D几何结构中，晶体的电子显示出平带，并且出现超导状态。

研究小组利用角度分辨光发射光谱（ARPES）清除了“电子被困”的障碍，这种超聚焦光束能够瞄准凹凸不平的三维表面上的特定位置，并测量这些位置上的单个电子能量。这就像直升机在非常小的垫子上着陆一样，在岩石上到处都是。利用 ARPES，研究小组在大约半小时内测量了合成晶体样品上数千个电子的能量。他们发现，绝大多数晶体中的电子表现出完全相同的能量，这证实了三维材料的平带状态。

研究人员说，这种平带状态几乎可以用任何原子组合来实现--只要它们以这种卡戈米启发的三维几何形状排列。这些成果于 11 月 8 日发表在《自然》（Nature）杂志上，为科学家探索三维材料中的稀有电子态提供了一种新方法。有朝一日，这些材料可能会被优化，以实现超高效电力线、超级计算量子比特以及更快、更智能的电子设备。