你聽說過節鏈結構的金屬嗎？

材料牛注：導體和絕緣體在生活中處處可見，也發揮著各自的作用。現在有研究團隊尋找到了一種多節鏈結構的材料——四氟化銥，具有很多未知的優良性能，關于其導電性的研究仍在進行當中，相信它會給未來的社會帶來驚喜的。

如果一個人在一臺超級電子顯微鏡下面深入觀察3種不同的固體結構，那么原則上，它們的相同點就是——被晶格和電子包圍的原子核。有的電子軌道圍繞著原子核，而有的穿梭于整個晶格當中。然而，當分別給它們加上電壓時，這3種材料會有不同的表現。

舉個例子，第一種材料可能會是導體,易于產生電流。而第二種材料可能是絕緣體，第三種可能是半導體。而我們知道材料的電導率是隨著溫度的升高而升高的（金屬例外），這就是晶體管和電腦芯片的基礎。

蘇黎世聯邦理工學院的理論物理研究所以Manfred Sigrist，Alexey Soluyanov和Andreas Rüegg為首的科學家團隊預測了一種新的固體材料，他們將其稱之為“節鏈金屬”。它有很多迄今為止仍然未知的性能，因此，這種材料被當成潛力股，有望成為材料中的一匹黑馬。

能帶結構和費米能級

大體上來說，一個固體材料能不能導電，以及怎么導電由兩個因素決定，就是能帶結構和費米能級。能帶結構指的是內部電子可能占據的能級，當一個自由電子移動地越來越快的時候，會引起動能的增加，但是“鑲”在晶格內部的電子只能通過一定間隔或者“能帶”來獲得能量。

這一點來自于量子機械波的性質，這也是一些電子動能受限的原因，人們也把它稱之為“帶隙”。另一個因素，費米能級來自于電子的“費米特性”，即兩個電子不能占據同一能級。假如在空間上有一微粒，電子從可供占用的最低量子態開始，按照一定規則填充在各個可供占據的量子能態上，最后一個電子的量子態就稱之為費米能級。

當一種材料的能帶和費米能級已知，就可以預判出它是金屬還是絕緣體了，如果費米能級在能帶范圍內，能量最高的電子就很容易移動從而產生電流，相反，若費米能級與帶隙范圍相吻合，那這種材料就是絕緣體。同理，其他材料就可以通過此定義來判斷它是否為金屬，Sigrist 和Rüegg的博士生Tomà? Bzdu?ek解釋道：“我們預測的材料是所謂的半金屬材料的表兄弟。”

半金屬性材料中的節點

半金屬性材料中的熱門就是石墨烯，該材料的發現者獲得了2010年的諾貝爾物理學獎，而石墨烯的電子在狄拉克點的能帶是其導電和導熱的原因。這種材料的帶隙在狄拉克點處消失了，因此，它們也被稱為節點（類比駐波的節點）。在其他半金屬性材料中，能帶并不涉及孤立點，而是明確的線或面。Soluyanov說：“我們新材料的特性就是內部鏈與鏈之間的節點循環。這聽起來很奇怪，而且似乎僅在理論上存在，但是我們確實發現了一種材料具有上述特性，那些節鏈的出現并不是偶然，但是卻受限于材料對稱的晶格結構。

科學家們把固體物理和高能物理做了一個有趣的對比，在高能物理理論中，因為真空中高度的對稱性，節鏈是不可能的；相反的是，在固態晶體中，對稱性較低，可以營造出新型的真空。為了尋找節鏈結構的材料，研究人員們走過了一條漫長而曲折的道路。理論上的假設很容易,但是實際上要做的是,首先尋找單節鏈的材料，然后確定這種材料的晶體結構應該具有什么樣的對稱性質。畢竟，現在已知的晶體對稱結構就有230多種，這些對稱性質很大程度上和材料的能帶結構有關。

Soluyanov和他的同事搜尋了大量的在線數據庫（ICSD-無機晶體結構數據庫），在數據庫中，存儲了上千種已知固體以及其晶體結構。最終，他們無意之中發現了一種材料，它不是單節鏈的結構，而是更加復雜的節鏈結構，這種材料就是四氟化銥。該實驗的成員Quan Sheng Wu說道：“這是一個意外的大驚喜。”

可能的原型

那些少為人知的且又沒有特殊用途的固體材料可能是潛力無限的新材料的原型。舉個例子，蘇黎世的物理學家們預測在特定場合下，固體材料的導電性會受到磁場的影響，這種現象就稱之為巨磁電阻效應，在現代數據存儲技術上發揮著重要作用。

進一步來講，四氟化銥的能帶結構具有特性，這和它在高溫具有超導性能有關。Sigrist坦言道，要走的路還有很長。對這種節鏈結構的金屬材料的實驗研究還要繼續做下去，這種材料將來也許會有無限的可能……

原文鏈接：Metal in Chains

本文由材料人編輯部楊洪期提供素材，陳露翻譯，李卓審核；點我加入材料人編輯部。