文章專區

2017年，冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）技術獲得了諾貝爾化學獎，而隨著科技的演進，各種不同的顯微鏡也推陳出新。電子顯微鏡的原子解析力是當代不可或缺的材料觀察利器，不過若想利用電子顯微鏡來量測電子的有效質量與費米速度，卻是前所未見的挑戰。近期，來自臺灣大學凝態科學研究中心的特聘研究員朱明文團隊，建立了結合穿透式電子顯微鏡與電子損失能譜學的方法，深入剖析量子材料 （quantum materials）的關鍵課題——量子材料常見的波動狀電荷密度波序化（charge-density-wave order），是否會因為它的電子關聯性而使電子有效質量增加、費米速度減慢，進而影響相關應用？

在1950年代發展的電漿子（plasmon）理論中，動態的電漿子波動會受到靜態電荷密度波產生的動能變化影響，而此變化恰好是電子有效質量與費米速度的函數。因此，科學家便可以透過量測電漿子的動能變化，直接觀測到量子材料的波動狀電荷密度波序化問題。在本次朱明文團隊發表於《自然通訊》（Nature Communications）期刊的研究成果中，他們開發了一種名為「動量解析電子損失能譜學」（q-EELS）的技術，利用電子束激發碲銅半金屬（CuTe）中的電荷密度波，產生「電漿子」波動震盪，使CuTe同時具備了靜態的電荷密度波與動態的電漿子震盪。藉由動量解析電子損失能譜，朱明文團隊成功證明電漿子確實能用來捕捉電子的有效質量與費米速度。

電荷密度波通常會讓電子變「重」變「慢」，不過團隊卻發現CuTe材料中一種類似相對論性的狄拉克費米子Dirac fermion）〔註〕的電子，它會在靜態的電荷密度波下呈現出較輕的有效質量，以及較快的費米速度，此發現對量子應用更為有利。團隊成員之一的淡江大學物理系教授薛宏中，也經由電子結構與能譜計算的檢驗，證實此發現的正確性。

〔註〕為一種特殊的費米子，它遵循英國物理學家狄拉克（Paul Dirac）在1928 年提出的方程式，且具有移動速度接近光速、性質接近沒有質量的粒子、有特定的自旋方向性等特點。

基礎電漿子理論對於有效質量與費米速度的度量揭示已被忽視近70年，且該理論的實驗驗證難度極高。本次朱明文團隊的研究成果不僅讓科學家再次正視了被忽視許久的理論，還為電荷密度波序化提供全新的認識，成為量子材料功能性的推動力。儘管團隊使用的是一臺已經使用接近21年的舊電子顯微暨能量損失能譜設備，且它的能量解析度也已遠低於當代標準，但該研究成果依然獲得國際間的關注。目前團隊已受到來自美國、加拿大、日本實驗室的邀請，將前往各地進行高能量解析度電子損失能譜實驗，並與各國研究團隊分享實驗技術、進行合作研究。

新聞來源
臺大校訊（2024年12月11日）。凝態中心主任朱明文研究團隊 電子顯微鏡量測電子有效質量與費米速度 剖析量子材料關鍵課題與懸宕70年的理論挑戰。臺大校訊，https://host.cc.ntu.edu.tw/sec/schinfo/epaper/article.asp?num=1628&sn=32302