美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學的科學家們已經開發出一種新型量子材料，其原子框架已經被急劇扭曲成人字形魚骨狀圖案。據這項研究的首席研究員、SLAC的斯坦福材料和能源科學研究所（SIMES）的博士後研究員Woo Jin Kim說，與其他材料相比，這種材料產生的扭曲是”巨大的”。

這幅插圖顯示了一種新的量子材料的各層之間的電子拉鋸戰是如何將其原子晶格扭曲成一個戲劇性的魚骨狀圖案的。創建這種材料的SLAC和斯坦福大學的科學家們剛剛開始探索這種”巨大”的扭曲是如何影響材料的特性的。

“這是一個非常基本的結果，所以很難對它可能或不可能產生的東西作出預測，但可能性是令人興奮的，”SLAC/斯坦福大學教授和SIMES主任Harold Hwang說。”根據我們團隊成員的理論建模，看起來這種新材料具有耐人尋味的磁性、軌道和電荷秩序特性，我們計劃進一步研究。這些正是科學家們認為賦予量子材料驚人特性的一些屬性。

該研究小組在《自然》雜誌上發表的一篇論文中描述了他們的工作。

在SLAC和斯坦福大學的實驗中，研究人員改變了左圖材料的原子結構，該材料由八面體和四面體層組成，被稱為布朗米勒石，通過化學方法去除氧氣層，就像玩Jenga的人小心翼翼地從一堆木塊中去除一樣。由此產生的材料（右圖）被Jahn-Teller效應引起的層間電子拉鋸戰極大地扭曲成人字形圖案。資料來源：Woo Jin Kim/SIMES

人字形圖案的材料是首次在具有平坦的平面晶格的分層材料中展示了一種叫做Jahn-Teller（JT）效應的東西，就像一棟具有均勻間隔的樓層的高層建築。

JT效應解決了電子在接近離子時面臨的困境–一個缺少一個或多個電子的原子。就像一個在地面上滾動的球會在一個低窪處停下並定居一樣，電子會尋找並佔據原子電子軌道中能量最低的空位。但有時會有兩個能量同樣低的空位。那怎麼辦呢？

如果該離子在一個分子中或嵌入一個晶體中，JT效應會扭曲周圍的原子晶格，從而只留下一個最低能量狀態的空位，解決電子的問題。而當整個晶格由JT離子組成時，在某些情況下，整個晶體結構會發生扭曲，因此電子的困境在所有離子中得到了合作解決。這就是這項研究中發生的情況。

插圖顯示了一種新的量子材料的扭曲，這種扭曲是由帶負電的鈷離子和帶正電的鈣離子之間的電子拉鋸戰產生的。在所謂的Jahn-Teller效應中，每個鈷離子試圖將鈣離子從它上面和下面的層中拉出來，使原子晶格按照箭頭的方向扭曲，這是以前沒有見過的方式。資料來源：Woo Jin Kim/SIMES

“Jahn-Teller效應在電子之間以及電子和晶格之間產生了強烈的相互作用，”Hwang說。”這被認為在一些量子材料的物理學中起著關鍵作用。”

JT效應已經被證明適用於單分子和由八面體或四面體結構排列的離子組成的三維晶體材料。事實上，基於錳或銅的JT氧化物表現出巨大的磁阻和高溫超導性–導致科學家們想知道在基於其他元素或具有不同結構的材料中會發生什麼。

在這項研究中，SIMES的研究人員將一種由鈷、鈣和氧（CaCoO2.5）組成的材料（它具有不同的八面體和四面體層的堆疊，被稱為布朗米勒石）變成了一種層狀材料（CaCoO2），在這種材料中可以產生JT效應。他們用幾年前在SIMES開發的化學技巧做到了這一點，製成了第一個氧化鎳超導體。

Kim合成了一層棕米勒石薄膜，並通過化學方法從其晶格中移除單層氧原子，就像玩家小心翼翼地從Jenga塔中移除積木一樣。晶格坍塌並沉澱為一個平坦的平面結構，其中交替含有帶負電荷的鈷離子（JT離子）和帶正電荷的鈣離子。每個鈷離子都試圖從它上面和下面的層中拉出鈣離子。

他說：”相鄰層之間的這種拉鋸戰導致了一種美麗的扭曲模式，它反映了發揮作用的力量之間的最佳和最和諧的妥協。而且與其他材料相比，所產生的晶格扭曲是巨大的–相當於晶格中離子之間距離的25%。”

Hwang說，研究小組將用SLAC和其他地方現有的X射線工具來探索這種顯著的新電子配置。他說：”我們也想知道，如果我們能給這種材料摻入興奮劑–用其他原子替換一些原子，以改變可自由移動的電子數量，會發生什麼。這有許多令人興奮的可能性”。