理论探究|耶鲁大学新加坡学院（Yale-NUS）开发出了可描述狄拉克材料中电子相互作用的模型

耶鲁大学新加坡学院（Yale-NUS）物理学副教授Shaffique Adam所领导的研究团队开发出了可描述狄拉克材料中电子相互作用的模型。研究成果解决了一个65年的开放理论问题，将有助于科学家更好地了解新材料中的电子相互作用，为发展更快处理器等先进电子器件铺平道路。研究成果发表于2018年8月10日《科学》杂志。

开放问题是什么控制了电子液体的速度（显示为波浪）。研究结果表明是蜂窝晶格上的被冻结的反铁磁性，它通过在两者相互作用时来减慢速度。（图片来源：Yale-NUS）

研究背景

电子行为主要受两个理论支配——库仑定律和费米液体理论。根据费米液体理论，导电材料中的电子表现得像液体——它们流过材料带来电流。对于狄拉克费米子，如果电子之间的库仑力超过某个阈值，费米液体理论就会失效：电子“被冻结”成更硬的图案，抑制电子的“流动”，导致材料不导电。

65年来，这个问题被局限在数学领域，因为从未实现可达到库仑阈值的狄拉克材料。但当前，通过将量子材料用于技术应用，如处理器中的晶体管，其中电子可被设计成具有期望的特性，包括那些推动库仑力超过该阈值的特性。但强的电子与电子相互作用效应只能在非常干净的样品中看到。

Adam在其博士学位之后的工作中，提出了一个模型来描述实验上可用的狄拉克材料，但这些材料“非常脏”（含有大量杂质）。在随后的几年中，已经制造出更新和更干净的材料，Adam之前的理论已经不再适用了。

研究进展

在这项名为“电子与电子相互作用在二维狄拉克费米子中的角色” 的最新论文中，Adam及其研究小组通过结合使用数值和分析技术，提出了可解释在所有狄拉克材料中超过库仑阈值的电子相互作用的模型。

在这项研究中，研究团队设计了一种方法，以可控的方式研究物理可观测量的演化，并用它来解决库仑相互作用模型中短距离和远距离部分的竞争效应。研究人员发现，如果有利于绝缘的“冻结”状态的短距离相互作用占主导地位，材料中的电子速度（“流动”速度）会降低。电子的速度可以通过有利于导电的“液体”状态的长距离部分来增强。

意义

通过这一发现，科学家可以更好地理解电子的长距离相互作用，这是以前的理论无法解释的，并且可以作为探索狄拉克电子中长距离相互作用变化实验的有用预测，这些长距离变化在导通到绝缘状态间切换。

这种对状态变化中电子速度演进的进一步理解，有助于科学家们开发出低散热器件。Adam解释说，“电子速度越高，晶体管的开关速度就越快。然而，这种更快的处理器性能是以增加功率泄漏为代价，这会产生额外的热量，并且这种热量将抵消更快开关所带来的性能提升。我们对电子速度行为的研究结果将有助于科学家设计出能够更快开关速度但功耗更低的设备。因为我们新模型中的机制利用了库仑力，与目前可用的机制相比，每个开关的能耗更低。理解和应用我们的新模型可能会引领新一代技术。”