“慢电子” 出世！二维材料解锁存储新可能

过去十年间，研究人员开发出多种具备奇特量子效应的二维材料，这类量子效应有潜力应用于下一代技术。这类材料已展现出超导特性，也就是无能量损耗导电；同时还存在电荷序现象，即电子会以某种固定模式排布，而非在材料内部自由移动。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的一支研究团队发现，新型材料Fe₅GeTe₂存在电荷有序态：电子以集体方式运动，速度异常缓慢，同时还能保持量子相干性。

该研究发表于《Science Advances》，论文标题为《Interactiondriven flat band and charge order in Fe₅GeTe₂》，由Shuolong Yang助理教授的实验室完成。研究改写了现有对该材料的认知，也为其开辟全新技术应用方向。

“这是一项与理论预测相悖的基础发现。”Shuolong Yang表示，“我们现在必须重新从头思考该材料的磁相互作用，同时这也为该材料用于新型存储器件带来新的可能性。”

多体现象

Fe₅GeTe₂于七年前被发现，属于范德华磁体材料。该类材料拥有原子级薄层结构，有望催生新型存储技术，相比传统磁性材料存储方案具备优势。

Shuolong Yang的研究团队包含博士后Gabriele Berruto与Qiang Gao，团队利用角分辨光电子能谱（ARPES）开展研究。该技术借助光子将电子从材料表面打出，让科学家得以观测材料的电子结构与磁态。

团队将紫外激光聚焦至10微米，观测到出人意料的结果：电子能带呈现平带。电子能带代表材料内部电子可具备的能量范围，决定材料是否导电。

平带属于特殊现象，材料内部电子达不到理论预期运动速度，实际会整体运动，且速度极慢。

“我们观测的并非单个电子。”Shuolong Yang说道，“我们观测的是成千上万乃至数百万电子的相互作用，这些电子以相干方式集体运动。这属于量子多体现象，本身十分反常。”

Shuolong Yang用水流打比方：坡度陡峭时，水流流速快；坡度平缓，水流流速就会变慢。这类慢电子的发现，改变了科研人员对该材料的理解，该材料内部原子拥有多种不同排布结构。

“从科学角度来看，这说明材料内部的磁相互作用和理论预测完全不同。”Gabriele Berruto说道。

从技术层面，该现象表明，材料的不同磁态可以在存储系统中实现信息编码。目前Shuolong Yang及其团队正在利用微聚焦激光，实现该量子多体态和其他物态之间的切换，证实这种状态切换具备可行性，可应用于存储器件。

向室温条件推进

绝大多数这类量子现象，仅能在极低温环境下观测与利用。但该团队发现，本研究中的量子相干效应可以维持到高于绝对零度100开尔文。该温度依旧低于室温，但对比同类材料已经具备很高应用潜力。

“如果最终要把它做成存储器件，就必须能够在室温下工作。” 现已任职劳伦斯伯克利国家实验室的研究科学家Qiang Gao表示。

下一步，研究团队将继续开展实验，尝试把该材料剥离至单原子层，验证材料是否依旧保有上述特性。

本文是芝加哥大学著名物理学家 Peter Littlewood的后期研究成果之一，该物理学家已于6月15日离世。“他是杰出的理论物理学家，也是芝加哥大学量子材料研究领域的领军人物。”Shuolong Yang说，“我们将这篇论文敬献给他。”