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只存在于理论中的物质的奇异相位被证明是真实的

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以前纯粹存在于理论领域的物质的一个奇怪阶段,终于在实际物质中被发现了。



它被称为“布拉格玻璃相” —— 一种奇怪的、看似矛盾的原子排列,在玻璃材料中,粒子几乎和完美晶体中的粒子一样有序。科学家们甚至不确定布拉格玻璃是否存在,但它确实存在,隐藏在一种钯合金中,镶嵌在铽(Tb)和碲(Te)层之间(PdxErTe3)。

这一发现由康奈尔大学的物理学家Krishnanand Mallayya领导,并发表在《自然物理学》上,它不仅揭示了材料的行为方式,而且展示了一套强大的新技术,用于探测奇异材料的原子结构。

这里所讨论的相与原子和分子的排列方式有关。长程有序相是指晶体固体中的分子排列成整齐的、几何的、三维的模式。无序相是指组成相的原子都混杂在一起。液体以这种方式无序,但一些固体,如玻璃也是如此。

在这些排列之间,物理学家预测了第三阶段的存在。那就是布拉格玻璃。

Mallayya和他的团队认为,他们可能会在含有电荷密度波(CDW)的材料中发现它,CDW是一种在二维材料中常见的现象,描述了材料电荷密度的周期性调制。把它想象成电子分布方式中的“波”。

对于这三个阶段中的每一个,CDW的行为都是不同的。对于长程有序相,CDW与材料的结构相关,无限期地持续。对于无序状态,它在有限距离内分解。对于布拉格玻璃来说,这种相关性会被打破 —— 但比无序状态要慢得多,距离也要长得多,似乎只有在无限距离上才会消失。



康奈尔大学的物理学家Eun-Ah Kim说:“挑战在于从实验数据中发现这些区别,这些数据也反映了现实生活中的问题,比如噪音和实验装置的有限分辨率。”

检测相位需要大量的工作。首先是材料,几年前,SLAC和斯坦福大学的科学家对PdxErTe3进行了仔细的研究,研究人员认为它适合他们的目的。

为了探测这种材料的结构,研究人员将他们的样本送到了阿贡国家实验室。在那里,PdxErTe3被X射线轰击,以测量光从材料内部衍射的方式。

最后,为了仔细研究和分析X射线衍射数据的绝对数量,研究人员使用了一种名为“X射线温度聚类(X-TEC)”的机器学习数据分析工具。这使他们能够探测到数千个CDW峰 —— “CDW波动首次从多个峰中分析出来,”研究人员指出。

根据CDW峰的不对称性,Mallayya和他的团队声称最终确定了布拉格玻璃相的存在,实验证实了它在现实世界中的存在。这代表着在理解这个难以捉摸的阶段方面取得了重大进展。

除了证实现有的模型,他们的技术也应该被证明对未来的研究有用:X-TEC工具能够以高精度、高速率从数据中提取特征,这预示着未来的许多发现。

物理学家Eun-Ah Kim表示:“利用机器学习工具和数据科学的视角,我们可以解决具有挑战性的问题,并通过全面的数据分析追踪微妙的特征。”

该团队的研究结果发表在《自然物理学》杂志上。

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