研究首次发现“暗电子”或有助理解超导现象

光波之间产生干涉现象。示意图。（Shutterstock）

研究人员最近在固态材料中找到了“暗电子”的证据，这种电子即使运用光谱学也无法侦测。

团队分析了二硒化钯（palladium diselenide, PdSe₂）中的电子后，发现了一些功能互相抵销的状态，使得这些“暗态”中的电子无法被观测到。

科学家认为，这种现象很可能在许多其它物质中也能找到，这有助于我们理解某些超导体为何会表现出意料之外的行为。

当你将手电筒光束投射到一面空墙上时，你或许会意外地看到光束在撞击处形成了一连串的光环。这是因为所谓的干涉效应——光波以或紧或松的同步方式互相冲撞所致。当波浪同步时，就会产生建设性干涉，使信号更亮。反之，若波浪未能对齐，则会出现破坏性干涉，使信号变暗。若波浪完全相反，则会出现最极端的破坏性干涉，以至于完全没有信号。

光是最常见的例子，但并非唯一会产生干涉的现象。有趣的是，当电子拥有完全不同的能量时，它们也会发生干涉，这可能导致“暗电子”的产生——这些处于“暗态”的电子，无法透过光谱仪被观察到。

长期以来，人们以为这些神秘的电子不会在固态物质中存在。由于电子不能相互距离太远，所以人们认为它们不可能拥有完全不同的能量。然而，最近一个由韩国研究人员带领的科学家团队发现，这些状态甚至在凝聚态物质中也能发生。这一发现可能对我们对量子物理学的理解产生深远的影响。这项研究的论文于7月29日刊登在《自然‧物理学》（Nature Physics）期刊上。

“这个隐藏状态或许是关键的缺失资讯，对于理解一直难以捉摸的量子现象至关重要。”作者们在研究报告中指出，“因此，辨识出自然界中迄今未知的其它暗态存在，以及揭开其背后的运作原理，极为重要。”

研究团队首先在一种名为二硒化钯（PdSe₂）的结晶材料中探寻这些暗态。他们研究了这种材料中电子的行为，并发现了一些他们知道理应存在的能带，但却根本看不见其中的电子。为了确认观察到的暗态是由电子本身造成，而非检测所用的光源所引起的，他们对材料进行了多种光偏振的检测。

当他们确认了这些能带后，研究人员运用模型将这一发现扩展到其它系统。令人振奋的是，他们能够相对容易地（至少在量子力学领域是这样）将这些结果推广开来。他们的研究表明，在PdSe₂中发现的暗电子不只是偶然现象——它们显示出暗态很可能普遍存在于自然界中。

正如该研究的合著者之一Keun Su Kim在接受《新科学家》（New Scientist）杂志访问时指出，这项发现可能有助于解释为何某些材料在出乎意料的条件下展现出超导特性。如果我们连它们的部分量子行为都无法看见，那我们之前对其一头雾水也就不足为奇了。然而，现在我们知道该寻找什么，这可能会带来一些物理学中迫切需要的理论解释。

在科学领域，黑暗通常象征着谜团。然而，谜团本身有时候就是答案——至少，在我们进一步深入探索之前是这样。