物理学家首次观测到连续谱中的电子束缚态

物理学家首次在二维金属中观测到连续谱中的电子束缚态（BIC）。这项由哥伦比亚大学、布鲁克海文国家实验室和印第安纳大学布卢明顿分校完成的研究于10月22日发表在Science上。此前预印本已发布于arXiv（2410.19227）。

什么是连续谱中的束缚态

通常，能量落在可用态连续谱内的态会泄漏到连续谱中并扩散开来。BIC则不会：尽管它与连续谱具有相同的能量，却依然保持局域。这类态在光学中早已为人熟知；据Physics World报道，这是首次在电子体系中观测到。

他们如何发现的

研究团队对Pd5AlI2进行了扫描隧道显微镜和谱学测量，这是一种具有修饰棋盘格晶格的二维范德华金属，并将测量结果与密度泛函理论及简单模型相结合。他们识别出两个由缺陷诱导的电子态，它们在金属连续谱内保持局域。两个相邻的缺陷还显示出杂化的迹象。

计算解释了这一效应。电子跃迁之间的干涉产生了一条由局域态构成的准平带，这些态与连续谱正交。原子缺陷将这些态移入连续谱，形成稳健的、受对称性保护的BIC。据Physics World报道，这些态位于随机的钯空位之上，与连续谱隔离，之所以能被看到，只是因为显微镜针尖的扰动使电子得以进出。

“通常杂化会被能隙所抑制，但在这里它是被量子干涉所抑制。”——哥伦比亚大学的拉克尔·凯罗斯（Raquel Queiroz），模型的开发者

印第安纳大学的亚历山德鲁·乔治斯库（Alexandru Georgescu）打了个比方：在绝缘体中，缺陷态就像一杯需要能量才能溢出的水，而在这里，“水”形成了一列与自身干涉、不会传播的波。

局限与下一步

这一成果属于基础研究，只涉及一种特定材料；模拟多体物理或催化等应用仍属推测。这些BIC形成于原本就随机存在的空位处。“没有理由不能按需制造它们，”主导实验的哥伦比亚大学的阿布海·帕苏帕蒂（Abhay Pasupathy）说，团队正在改进技术，以便把它们放置在选定的位置。加州大学伯克利分校的布巴卡尔·坎特（Boubacar Kanté）曾演示了首个光学BIC激光器，他未参与这项工作，称其“非常有趣”，并表示它“显示了波动现象的普适性”。更多内容请见我们的科学栏目。