2026年5月7日 -- 密歇根大学工程学院的研究人员发现，类似于固体融化成液体的过程，许多不同金属中的电子会形成晶体状结构，这些结构可以变形和熔化，为神经形态计算和超导体开辟了新途径。

“我们的工作表明，这些通常被认为具有高度有序结构的量子结构，实际上跨越了一个无序的连续体，可以利用这一点来设计和控制这些材料，”该研究的主要作者、材料科学与工程副教授罗伯特·霍夫登表示，该研究发表在《Matter》期刊上，由美国能源部和国家科学基金会资助。

“冶金学家经常通过控制金属中的缺陷或无序来产生特定的性能，”霍夫登说。“类似的方法可能有助于我们在未来的设备中利用量子材料的潜力。量子冶金学可能是未来的方向。”

精确编辑这些电子晶体（也称为电荷密度波）结构的能力，可能为控制超导体（即无电阻传输电流的材料）开辟新的途径，因为超导状态可能与电荷密度波中的缺陷同时出现。

控制电子晶体的结构还可以让工程师快速将金属转变为绝缘体，因为电荷密度波会破坏某些导体中的电流流动。在导体和绝缘体之间精确切换，类似于脑细胞传输电信号的方式，一些科学家认为这种材料可以推动神经形态计算的发展，这种计算方式能够以极低的能耗处理和传输大量数据。

电子晶体解析：晶体中的晶体

在导体中，自由电子通常均匀分布在金属中。然而，有时它们会形成均匀间隔的簇，产生一种交替高低电子密度的波状图案，称为电荷密度波。

这种电荷的周期性聚集类似于晶体的原子结构。当这种有序性退化时，晶体会物理熔化，并且可能分阶段发生，尤其是在晶体只有一两个原子厚的情况下。在晶体完全熔化之前，原子之间的距离变得不规则，原子行发生错位。结果，顺序图案被打破，在晶格中重复出现标志性的六边形图案。

当科学家在电荷密度波中发现相同的中间熔化状态时，一些人开始怀疑电荷密度波是否也能完全熔化。该结构不会像物理液体那样流动，但从电子簇的有序周期性排列消失的意义上说，它将是液体。

霍夫登团队成功地在金属二硫化钽的二维薄片内熔化了一个电荷密度波——尽管在物理晶体开始变化之前，他们无法实现完全液态的电荷密度波。随着电子簇从其整齐的行中错位，每行之间的间距增大。膨胀的结构增加了电荷密度波图案的波长，这决定了材料的导电性。

研究人员通过将金属加热到568华氏度时向其发射电子束来检测熔化过程。当发射的电子穿过金属时，它们会在撞击相机之前被原子偏转。在撞击点形成一个点，点的排列对应于晶体中原子的位置和排列。

当金属具有电子晶体时，衍射图案中代表原子的点周围会有额外的点，代表电子簇的位置。霍夫登团队发现，随着电子晶体中变形数量的增加，这些点会模糊成椭圆形并逐渐消失。

研究人员在计算机模拟中重现了这种模糊图案，描述了熔化的电子晶体如何衍射电子束。该模拟还描述了电子晶体如何在原本固态的金属内熔化——随着电子压力的增加，电子簇消失。一旦一个簇消失，其组成的电子重新加入背景场。

模拟还预测，当熔化过程完成时，衍射椭圆会模糊成围绕代表金属原子点的微弱光晕。加州大学洛杉矶分校的研究人员在创建液态电子密度波后也发现了相同的光晕图案。

怀疑熔化的证据可能隐藏在早期对电荷密度波的研究中，霍夫登团队在28项关于其他具有电荷密度波的金属的研究中寻找电子衍射图案。他们在所审查的几乎所有二维金属以及几种三维金属中都发现了熔化的证据。

“当你观察这些材料时，它们可能具有非常不同的电学和磁学性质，但我们可以用这个相当简单的框架来描述大多数电荷密度波的核心基础物理，”该研究的共同第一作者之一、密歇根大学电气与计算机工程硕士生Jeremy Shen说。“我们在所有这些系统中有一个通用的旋钮可以用来访问不同的特性，这非常令人兴奋。”

电荷密度波是在密歇根材料表征中心进行研究的，该中心由联邦拨款中的间接成本分配支持和维护。模拟是在密歇根大学高级研究计算中心的服务器上进行的。