当电子在导电材料中移动时，它们就像是高峰时段的通勤者一样，可能会相互拥挤和碰撞。不过在大多数情况下，这些电子并不“在意”彼此，它们各自都携带着不同的能量自顾自地向前冲。但是，当材料中的电子被陷俘在一起时，它们可以进入完全相同的能态，这时它们开始表现得像一个整体。在物理学中，这种集体性的状态被称为电子平带。
科学家预测，当电子处于这种平带态时，它们可以开始感受到其他电子的量子效应，并表现出协调的量子行为，进而可能出现如超导性和一些独特磁性等奇异的量子现象。在经过了长时间的理论研究后，近年来，物理学家们已经成功地在二维材料中实现了电子陷俘，并在实验中证实了电子平带态。但一个显著的问题是，在二维空间中陷俘的电子很容易从第三维逃逸，这使得平带态难以在二维空间中维持。
电子平带是否可以在三维材料中实现，从而使得这些奇异的电子态能以更稳定的形式存在？现在，一项新发表于《自然》杂志的研究表明，一个物理学家团队成功地将电子陷俘在一个纯晶体中，首次在三维材料中实现电子平带。通过一些化学操作，研究人员还将这个晶体转化为超导体。在这项新的研究中，电子平带之所以可以在三维材料中实现，要归功于实验中所使用的晶体所具有的原子几何结构。
这种晶体的原子排列方式类似于编织篮子时会采用的“笼目”（Kagome）模式。在这种特殊的几何结构中，原子被排列成相互连接的三角形，使得电子不是在原子之间跳跃，而是像被“关在笼子里”一样，被限制在三角形之间的六边形空间内，处于同样的能带中。为了验证这一假设，研究人员在实验室合成了一个烧绿石晶体。
他们采用的合成方式与自然界制造晶体的方式并无大的不同：将某些元素放在一起，让它们在非常高的温度下熔化，再冷却，然后这些原子就会自动排列成这种具有笼目模式的晶格。
在这项实验中，他们使用的元素是钙（Ca）和镍（Ni）。然后，他们测量了晶体中单电子的能量，来检测这些电子是否真的处于相同的能量平带。在新的研究中，研究人员采用角分辨光电子谱学（ARPES）清除了这一障碍。
ARPES是一种超聚焦光束，能够瞄准不均匀的三维表面上的特定位置，并测量这些位置上的单电子的能量。利用ARPES，研究团队在大约半小时内测量了晶体样品中的数千个电子的能量。结果表明，晶体中的绝大多数电子表现出了完全相同的能量，证实了三维材料的平带态。为了测试这些协调电子能否进入某种奇异的电子态，研究人员用铑和钌原子代替镍原子，合成了另一种有着相同的原子几何形状的三维晶体。
根据他们的理论计算，这种化学上的改变应该会使电子平带变成零能态——一种能自动导致超导的状态。实验结果证实了这一计算，新合成的晶体的电子在超导态下表现出了平带。这表明，这种电子平带态几乎可以通过任何原子组合来实现，只要这些原子按照类似“笼目”的三维几何形状排列。这一成果为寻找新的、有趣的量子材料提供了一个新的思维范式，为科学家探索三维材料中罕见的电子态提供了一种新方法。