此示意图展示了电子与表面和体相中声子间相互作用（耦合）的破缺对称（表面存在）。图片来源：TeYuChien

最近，美国怀俄明大学（Univ. of Wyoming）研究人员证明了物理科学过程可以为发展未来纳米材料（如用于手机或电脑芯片的材料）提供意义深远的解释。

最近，UW物理学和天文学系助理教授TeYuChien以通讯作者身份在《物理评论B》（Physical Review B）上发表了一篇论文。该期刊是凝聚态物质和材料物理领域最大、最全面的专业国际期刊，出版一系列专题论文。

Chien及其研究团队专注于晶体铍表面的电子和离子振动（“声子”）之间的相互作用，首次指出了表面电子和声子间的相互作用可由全部四个主要实体来确定：体相电子、表面电子、体相声子、表面声子。特别是，破缺对称性引起的表面电子和声子发挥了决定性的作用，以提高电子-声子在表面的相互作用。

采用铍晶体是因为其是一种轻质材料（元素周期表中仅次于氢、氦、锂的第四轻元素），往往具有更高的振动能量。

Chien指出，表面（终止材料的连续性）的存在是提高固体材料中多个体相互作用的关键。

“表面和体相并不分立。体相材料具有相当大的体积，对于生活其中的电子而言是无限大的。但是，所有的体相材料总是包含表面在内的。”Chien说，“表面的存在破坏了材料向空间延伸的连续性，称之为’破缺过渡对称性’或简称为’破缺对称性’。”

“但是，有一个重要的问题需要考虑。是什么使得表面的物理性质与其体相表现出如此明显的不同：破缺对称性或者是更低的维度？这个问题的答案对于理解纳米材料至关重要。”

科学家们都知道，由于纳米材料具有高的比表面积，其物理性质往往与体相材料截然不同。这已被广泛接受，因为表面的2-D本质，材料表面的电子和离子具有跟材料内部电子和离子明显不同的性质。除了2-D表面电子或离子的性质之外，表面的电子和离子间相互作用也更为复杂。

“直到现在，还没有很好的解释，材料表面的特殊性质到底是由于低维度还是破缺对称性造成的。”Chien如是说。

原则上讲，低维度（比如说2-D）往往只允许电子在两个维度上（表面的x和y方向，垂直于表面的方向则不被允许）自由移动；而破缺对称性表述了空间的非对称环境，空间中电子的移动由于表面的存在而停止。他这样说。

“为了解决这一问题，我们关注电声耦合（EPC），研究最多的一种形式是物理体系中的多体相互作用。”Chien如是说。

EPC是解释传统超导电性（即材料表现出零电阻的一种状态）的一种机制。强EPC往往会在更高的温度下产生超导电性。铍表面大大增强的EPC已被观察到数十年了，一直不知其中的原因。由于涉及到电子和声子子系统的复杂相互作用，对这一现象的解释一直都模糊不清。Chien如是说。

“对于纳米材料而言，几乎所有的原子都在表面。”他说到，“表面性质决定了纳米材料的性能。我们正尝试为科学家们提供信息——设计和发展未来纳米材料的原因和可能性。”

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮