（文章來(lái)源：量子認(rèn)知）

電荷傳輸是指電子流經(jīng)固體材料的傳輸過(guò)程的定量描述。電荷傳輸這一過(guò)程不是我們通常所想象的毫無(wú)阻礙地流動(dòng)，而是會(huì)通過(guò)構(gòu)成材料晶格的原子的熱振動(dòng)而被碰撞。隨著材料溫度的變化，這種振動(dòng)量以及該振動(dòng)對(duì)電荷傳輸?shù)挠绊懸搽S之變化。

加州理工學(xué)院的科學(xué)家們首次開發(fā)了一種預(yù)測(cè)與原子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈相互作用的電子將如何流經(jīng)復(fù)雜材料的方法。他們依靠量子力學(xué)原理，開發(fā)了一種精確的新計(jì)算方法。這一計(jì)算方法將可能對(duì)電子新材料的開發(fā)產(chǎn)生廣泛的影響。

博士后研究員周金健（Jin-Jian Zhou，中國(guó)學(xué)者）和應(yīng)用物理與材料科學(xué)助理教授馬可·伯納迪（Marco Bernardi）對(duì)鈦酸鍶材料進(jìn)行了研究，結(jié)果表明過(guò)去的標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋室溫附近的電荷傳輸。實(shí)際上，這一電荷傳輸違反了普朗克極限，是一個(gè)量子速度極限，它限制了電子在給定溫度下流過(guò)材料時(shí)能耗散能量的速度。這一最新研究成果發(fā)表在最近的《物理評(píng)論研究》雜志上。

電荷傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)圖景很簡(jiǎn)單：流經(jīng)固體材料的電子不會(huì)不受阻礙地移動(dòng)，而是可以通過(guò)構(gòu)成材料晶格的原子的熱振動(dòng)而被擊中。隨著材料溫度的變化，振動(dòng)量以及該振動(dòng)對(duì)電荷傳輸?shù)挠绊懸搽S之變化。

這種單個(gè)振動(dòng)可以視作為稱為聲子（Phonon）的準(zhǔn)粒子，其行為就像單個(gè)粒子一樣在四周激動(dòng)、移動(dòng)和反彈，聲子的行為就像海洋中的波浪，而電子就像在波浪中搖曳的小船在那片海洋中航行。在某些材料中，電子和聲子之間的強(qiáng)相互作用反過(guò)來(lái)產(chǎn)生了一種新的稱為極化子的準(zhǔn)粒子。

極化子（Polaron）是在凝聚態(tài)物理中用來(lái)理解固體材料中電子與原子之間相互作用的準(zhǔn)粒子。極化子的概念最早是由列夫·蘭道（Lev Landau）在1933年提出的，它描述了一種電子在介電晶體中移動(dòng)。以后，極化子的概念得到擴(kuò)展，以描述金屬中電子與離子之間的其他相互作用，與非相互作用系統(tǒng)相比，它們會(huì)導(dǎo)致鍵合狀態(tài)或能量降低。對(duì)于大型晶格中的電子狀態(tài)的精確解及其相互作用，是當(dāng)代物理一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

實(shí)驗(yàn)上，極化子對(duì)于理解多種材料很重要。半導(dǎo)體中的電子遷移率可通過(guò)形成極化子而大大降低。有機(jī)半導(dǎo)體對(duì)極化效應(yīng)也很敏感，這在有效傳輸電荷的有機(jī)太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)中尤為重要。極化子對(duì)于解釋這些類型材料的光導(dǎo)率也很重要。

伯納迪說(shuō)：“所謂的極化子機(jī)制，其中電子與原子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈相互作用，已經(jīng)超出了電荷傳輸計(jì)算原理范圍，因?yàn)樗枰绞褂煤?jiǎn)單的微擾方法來(lái)處理強(qiáng)電子-聲子相互作用。” 。 “我們使用一種新方法，已經(jīng)能夠預(yù)測(cè)鈦酸鍶中極化子的形成和動(dòng)力學(xué)。這一進(jìn)展至關(guān)重要，因?yàn)樵S多對(duì)未來(lái)電子和能源應(yīng)用感興趣的半導(dǎo)體和氧化物都表現(xiàn)出極化子效應(yīng)。”

鈦酸鍶是一種復(fù)雜的材料，因?yàn)樵诓煌臏囟认拢湓咏Y(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生巨大變化，晶格會(huì)從一種形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形狀，從而使電子必須通過(guò)聲子發(fā)生位移。研究人員在去年的《 物理評(píng)論通訊》的論文中表明，他們可以描述與這些結(jié)構(gòu)相變有關(guān)的聲子，并將其包括在計(jì)算工作流程中，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鈦酸鍶中電子遷移率的溫度依賴性。

現(xiàn)在，他們成功地開發(fā)出了這種新方法，可以描述鈦酸鍶中電子與聲子之間的強(qiáng)相互作用。這使他們能夠解釋極化子的形成，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電子遷移率的絕對(duì)值和溫度依賴性，這是材料中的關(guān)鍵電荷傳輸特性。

從而，他們發(fā)現(xiàn)了鈦酸鍶的一個(gè)奇特特征：室溫附近的電荷傳輸無(wú)法用材料中原子振動(dòng)引起的電子散射的簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)圖來(lái)解釋。相反，傳輸發(fā)生在微妙的量子力學(xué)機(jī)制中，在該機(jī)制中，電子是集體而不是單獨(dú)地?cái)y帶電，由此使它們違反了電荷傳輸?shù)睦碚摌O限。

“在鈦酸鍶中，由于電子與聲子的散射而產(chǎn)生的通常的電荷傳輸機(jī)制已在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)被廣泛接受。但是，從我們的研究中得出的圖景則要復(fù)雜得多，”周金健說(shuō)。 “在室溫下，似乎每個(gè)電子的大約一半通過(guò)常規(guī)的聲子散射機(jī)制促進(jìn)了電荷的傳輸，而另一半電子則促進(jìn)了尚未完全理解的整體傳輸形式。”

除了代表對(duì)電荷傳輸?shù)睦斫庥辛烁拘缘倪M(jìn)步外，這一新方法還可以應(yīng)用于許多半導(dǎo)體以及氧化物和鈣鈦礦等材料，以及展現(xiàn)出極化子效應(yīng)的新型量子材料。除了電荷傳輸外，研究人員還計(jì)劃研究具有非常規(guī)熱電（由熱產(chǎn)生電）和超導(dǎo)電性（無(wú)電阻的電流）的材料。在這些材料中，現(xiàn)有的計(jì)算尚未能夠考慮極化子效應(yīng)。

（責(zé)任編輯：fqj）