研究人员首次证明，自组装磷链能够呈现真正的一维电子行为。通过运用先进的成像和光谱技术，他们分离了沿不同方向排列的磷链信号，揭示了其真实特性。研究结果表明，将磷链挤压得更紧密可能引发从半导体到金属的剧烈转变。这意味着仅通过调整密度就能解锁全新的电子态。
研究结果还指出，根据链间距的不同，行为会发生显著变化。当链间距较远时，材料表现为半导体。然而，如果紧密排列，计算预测其行为将类似于金属。
从二维材料到一维
所有材料均由以不同模式键合在一起的原子构成。在大多数固体中，原子在平面内和垂直方向上都连接。某些元素，如碳，可以形成石墨烯，这是一种二维（2D）六边形网络，其中原子仅在同一层内键合。磷也能够形成稳定的二维结构。
二维材料因其独特的电子和光学特性而引起了广泛兴趣。理论研究建议，将材料进一步缩小到一维结构可能会产生更显著的电光效应。
银上的自组装磷链
在精心控制的条件下，磷原子可以在银基底上自组织成短直线。从结构上看，这些线呈现一维特性。然而，相邻链之间仍可能发生侧向相互作用。这些侧向相互作用会改变电子结构，并可能破坏真正的一维行为。直到现在，研究人员还无法明确测量电子本身是否被限制在单一维度内。
“通过对BESSY II测量结果的非常彻底的评估，我们现在已经证明，这种磷链确实具有一维电子结构，”HZB量子材料中自旋与拓扑学部门负责人Oliver Rader教授说。
Andrei Varykhalov博士及其同事首先使用低温扫描隧道显微镜（STM）创建并检查了磷链。图像显示，短磷链在银表面沿三个不同方向形成，每个方向相隔120度角。
ARPES揭示真实的一维电子结构
“我们取得了非常高质量的结果，使我们能够观察到链间形成的电子驻波，”Varykhalov说。随后，团队使用BESSY II的角分辨光电子能谱（ARPES）绘制了电子结构图，这是他们拥有丰富经验的技术。
预测的半导体到金属相变
Maxim Krivenkov博士和Maryam Sajedi博士在数据解读中发挥了关键作用。通过仔细分离三个不同取向链域的贡献，他们能够隔离每条链的电子特征。“我们能够解开这些域中的ARPES信号，从而证明这些一维磷链实际上也具有非常独特的一维电子结构，”Krivenkov说。
基于密度泛函理论的计算支持了实验结果，并建议随着链间距缩小，会发生重要转变。随着链密度增加，相邻链之间的更强相互作用预计会触发从半导体到金属的相变。换句话说，如果链形成紧密排列的二维阵列，材料将表现为金属。
“我们进入了一个新的研究领域，一个未知的领域，很可能会有许多激动人心的发现，”Varykhalov说。