電子帶負電荷，因而其互相之間存在靜電排斥力。不過，有科學家提出，正是在這種靜電排斥力的影響下，電子之間可能會產生相互吸引作用。近日，這項五十年前的理論成果終於得到了實驗證實。
電子間吸引作用的激子機制示意圖：圖a是物理學家五十年前的理論模型，圖b是Hamo團隊在近期研究成果中的實驗裝置。（圖片來源：Nature）
庫倫定律描述了兩個帶電粒子之間的相互作用規律，例如，兩個帶負電的電子會產生靜電排斥作用，目前該定律已經在實驗中得到了廣泛的驗證。但除此之外，存在於物質中的電子也是有可能會產生相互吸引作用的。最近，Hamo等在《自然》（Nature）上發表了一項研究成果，論證了在沒有電子-聲子作用的情況下電子間吸引作用的產生機制。該研究成果證實了物理學家William Little五十年前提出的理論：在固體中其他電子的影響下，兩個電子間的作用力可能會由排斥變為吸引。
電子之間存在相互吸引作用，是解釋傳統超導機制的理論核心。根據BCS理論（Bardeen-Cooper-Schrieffer theory），在晶格振動（即聲子）的影響下，電子與電子之間會產生相互吸引作用，該過程限制了超導現象的形成條件，例如聲子的特徵能量（德拜頻率）影響了超導臨界溫度，只有在低於該臨界溫度時，材料才會轉變成超導體。
在BCS理論出現後不久，Little提出了一種不同的「激子」吸引機制，該機制與上述「電聲耦合」機制類似，提出在其他電子的排斥作用影響下，電子與電子間可能會產生相互吸引作用。Little在闡釋激子機理時，引入了一個雙電子體系和一個可極化分子。為了簡化問題，本文把這個可極化分子看作是雙原子分子，在分子的兩個原子間，存在一個可以自由移動的電子。首先，雙電子體系中的某一電子會對分子中的電子產生排斥作用，進而形成一個帶正電的小區域，接著，這一帶正電的小區域又會吸引雙電子體系中的另一電子，這整個過程就相當於，雙電子體系中的兩個電子間產生了相互吸引作用。
激子機制的特徵能量其實就是可極化分子中電子的兩個狀態之間的能量差，即成鍵態與反成鍵態之間的能量差，從理論上來講，這比許多金屬中的德拜頻率要大的多。在該理論提出時，電聲耦合機制控制下的超導臨界溫度僅為幾個開爾文，通過激子機制來提高超導臨界溫度的希望很大，這類高溫超導體的實用價值一時吸引了大量的理論與實驗工作。研究人員也曾認為激子機制是有機超導體的超導機制，但在多年的激烈爭論後，目前普遍認為事實並非如此。
在尋找由激子機制控制的超導體時，研究人員要面對兩個關鍵問題：一方面，該超導材料要適用Little理論，另一方面，材料中的激子機制要能引發超導現象。Hamo等研究人員嘗試將這兩個問題分開解決，先想辦法論證材料中確實存在有這種電子相互吸引的機制，而不要求材料具有超導特性。此外，研究人員在實驗中所採用的材料是用納米尺度的工程技術構建出來的，而並非自然界中的某種材料。
與Little的構想不同，Hamo等用人造分子代替可極化分子，該人造分子是放置在微晶片上的碳納米管中的一對勢能阱，同時，研究人員在另一微晶片上的碳納米管中構建出雙電子體系。接著，研究人員在掃描探針顯微鏡中移動碳納米管，使兩根碳納米管互相垂直疊放，如示意圖所示。隨後，將裝置冷卻到低溫（約10毫開爾文），繼續移動碳納米管，使其相互靠近至100納米左右。這樣一來，研究人員就可以觀察到人造分子對雙電子體系的影響，更具體而言，可以觀察到兩電子間是否產生了相互吸引作用。
Hamo等設計的這一實驗裝置有幾個關鍵之處。一方面，他們所採用的碳管幾乎不含任何雜質，因此，作用於碳管中電子的電場力能得到準確地控制；另一方面，該實驗裝置可以精確拆裝Little構想中的基本元件（雙電子體系與可極化分子），研究其形成與相互作用。
與真實分子不同，研究人員採用的人造分子可以通過電流測量與電荷傳感的方法，直接表徵出實驗所涉及的各能量大小。例如，通過測量碳納米管中內置電量計的信號，或通過測量器件中電流隨外加電壓的變化，就能很容易地確定體系中電子的相互作用。研究人員正是在這些技術的幫助下，推斷電子間出現了相互吸引作用，證實了Little所提出的激子機制。
在這一發現的引導下，研究人員有可能會設計出新型超導體。然而，要想把該實驗中的材料放大到哪怕是短短的一條鏈，都極其困難，更不用說要製備出一整塊晶體了。另一方面，激子機制或許只能在低維物理系統中佔優勢，如果是這樣，那麼激子機制所引發的超導效應會不可避免地與其他影響電子運動的效應相競爭，例如，系統中可能會形成電荷密度波，阻礙其進入超導態。此外，成鍵-反成鍵軌道分裂會導致電子間相互吸引作用出現的溫度更低，達到亞開爾文級。
不過，這類非電聲耦合機制的電子間相互吸引作用具有一般性，有望推廣到更多的材料體系中去。儘管Hamo等人的裝置無法發展成實用的激子超導體，但該裝置可以用於這類超導材料的量子模擬，進行基礎研究。「同性相吸」的電子也有望加入納米科學領域的量子大家庭，在納米尺度問題的研究中發揮重要作用。
翻譯：王舟
審稿：趙昌昊
原文連結： http://www.nature.com/nature/journal/v535/n7612/full/535362a.html
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