一個隱藏的電子圖案可以提供關於奇異量子行為的線索。理化學研究所物理學家的一個意外發現表明，晶體中隱藏的條紋可以幫助科學家理解某些量子系統中電子的神秘行為，包括高溫超導體。

大多數材料中的電子之間的相互作用非常弱。但是，物理學家經常在電子相互作用強烈的材料中觀察到有趣的特性。在這些材料中，電子經常集體表現為粒子，產生了”準粒子”。

理化學研究所新興物質科學中心的克里斯托弗-巴特勒說：”一個晶體可以被認為是一個具有不同物理定律的替代宇宙，允許不同的基本粒子生活在那裡。”

巴特勒及其同事研究了一種晶體，其中一層鎳原子被安排在一個方形晶格中，就像一個棋盤。單個電子的質量很小，但在這種晶體中，它們看起來是無質量的準粒子。

研究小組開始使用掃描隧道顯微鏡來研究這種奇怪的效果，但事實證明這具有挑戰性。這台核桃大小的顯微鏡被安置在一個真空室裡，周圍是一屋子的設備，這些設備創造了與月球表面相當的低溫和超低壓力。

巴特勒說：”為了檢驗這些晶體的原始表面，我們試圖裂開一個小片，就像地質學家那樣。但是我們必須在真空中做這件事，而且這些晶體非常脆，在這種環境下容易爆炸變成灰塵。”

經過無數次的嘗試，他們成功了，用顯微鏡掃描片狀物，用一個類似唱機的小針，在它上面加電壓，改變電壓使他們能夠探測到不同的特徵。

理化學研究所的物理學家觀察到，電子（頂部兩層）在鎳晶體的方形原子晶格（底部一層）上方形成條紋狀排列。

研究小組證實，鎳原子是以棋盤式的排列方式排列的。但令他們驚訝的是，電子打破了這種模式，令其以條紋的形式排列（如圖）。這就是所謂的非對稱性–系統中的相互作用使電子顯示的對稱性低於底層材料。

巴特勒將這一發現比作站在池塘邊扔進一個小石子。他說：”你會期望看到圓形的漣漪，所以如果你看到漣漪出現在平行線上，你就會知道發生了一些奇怪的事情。它需要一個解釋”。

這樣的實驗將幫助物理學家測試關於具有許多粒子相互作用的量子系統行為的不同擬議理論，例如高溫超導體。例如，這些新結果符合日本名古屋大學該研究的共同作者所提出的”密度波”框架的預測。

“許多相互作用的電子的行為即使用超級計算機也很難預測，”巴特勒說。”但至少我們可以在顯微鏡下觀察它們在做什麼。”