最近的新研究预测了一种被称为LA-TA splitting的全新物理现象（全称为splitting of longitudinal acoustic mode and transverse acoustic mode，即晶体中声学支的横波与纵波劈裂）[1]。由于此种现象过于特殊，在所有已知的物理机制和图像中都不曾出现过，特在此做进一步的引申评述。

在固体的现代量子力学理论中，原子运动被通过将集体振动模式量子化后得到的准粒子——声子来描述，其中原子间的相对运动对应于声子的光学支，而所有原子几乎整齐一致的运动对应于声学支。在波长无限长的极限条件下，平衡体系的物理条件（即作用在所有原子上的受力的总和必为零）要求在倒空间布里渊区的中心（即通常所说的gamma点）波矢对应的声学支振动频率严格为零。也就是说，文献[1]中所述的LA-TA劈裂在标准的晶格动力学理论中是不可能发生的，它违背了基本的物理学规律。通常情况下，在gamma点附近可能发生的退简并只有极性材料中的LO-TO劈裂[对于非极性晶体，长波极限下的纵光学模（LO）和横光学模（TO）在布里渊区中心附近的声子能量是简并的；但是对于离子晶体这种极性材料而言，阴、阳离子的相对运动会产生宏观电场，这一电场反过来会作用于阴、阳离子本身，影响它们的运动；这种长程库仑相互作用会导致上述简并被消除，从而使光学模在布里渊区中心附近发生分裂]。LO-TO劈裂是著名物理学家黄昆先生对晶格动力学理论的重要贡献。

图1 高压下金属锂(a、c)与金属钠(b、d)中的电子脱离原子核的束缚而局域到晶格间隙位置，形成极性的电子化合物，其中原子带正电，赝原子ISQ带负电。

那么LA-TA劈裂是如何产生的呢？它对应的物理机制是什么？问题的根源在于我们如何定义和描述固体的构成。在原子分子层面，我们将固体定义为由原子构成。但在更深的物理层面，固体应被定义为由原子核及其周围的电子云共同构成。这两个不同的定义在一般情形下（即当电子是紧密围绕在原子核周围时）是等价的，几乎所有固体理论都默认这种等价性，并理所当然地将电子的贡献积分掉，使其仅以原子间相互作用势的形式出现在固体理论中。即电子在原子层面的固体理论中并不显式地出现，出现的只是作为物质代表点的原子以及原子之间的相互作用。显然，在这一框架下LA-TA劈裂是不可能发生的。

电子化合物是一类电子脱离原子核的束缚而向晶格间隙空间局域的一类新颖材料（图1）。在描述这类材料时，上述关于固体构成的两种定义不再等价，且第一种定义（只保留原子这一概念）是明显不完备的，关于电子的空间分布特征需要显式地被考虑。文献[1]的工作正是努力地往这一方向迈出了一步，并在将电子的空间分布进行粗粒化近似后以赝原子ISQ的形式简要地表示。这一近似虽然看似粗陋，但却准确地把握住了电子化物的本质特征：电子与核的空间分离与正负极化。文献[1]中还进一步考虑了这些局域电子如何参与和影响原子核的振动，所采取的做法是将电子化合物中的原子核与ISQ分别映射到离子晶体中的阳离子与阴离子，并套用离子化合物的晶格动力学数学形式。虽然[1]中没有显式地给出ISQ的运动方程，但是核-电分离导致的偶极矩及其变化导致的长程库仑作用被显式地考虑了。正是这一贡献突破了标准的晶格动力学理论——在旧有的形式框架下引入了崭新的物理内涵。

图2 预测的金属锂与金属钠在高压下的LA-TA劈裂情况，以及钠中劈裂的各向异性特征。

直接的理论计算结果显示在gamma点附近，晶体中原子的声学支振动模式在与代表局域电子的ISQ发生耦合后形成两个新的模式：其中一个模式被物理约束条件钉扎在零频位置，而另一模式由于长程库仑作用被抬升到有限的频率值，从而导致三个声学支在gamma点附近的退简并，即发生LA-TA劈裂（图2）。在物理上，这一劈裂是由于局域电子通过原子极化后的长程库仑相互作用直接参与了晶体的声学支振动模式的直接体现。

这一崭新的预测直接暴露了标准晶格动力学理论在处理电子化合物时的先天不足，同时揭示了可能存在的新物理现象。这一预测目前尚无实验的直接证据。为了便于实验验证，[1]中还给出了实验可能观测到LA-TA劈裂现象的电子化合物需要满足的判据条件，为实验设计开出了药方。实验探测这一现象需要对gamma点附近的声子振动频率进行直接测量，在高压下实施这一实验有一定的挑战性，但并不是遥不可及。如果LA-TA劈裂获得实验证实，将是电子化合物独有的新物理现象，证明在凝聚态物理中需要赋予电子独立性，并需要将原子与电子进行同等的显式处理。由于这一现象打破了传统的理论框架，所以它有可能打开凝聚态物理一个新领域的大门。

参考资料：

[1] Leilei Zhang, Hua Y. Geng*, and Q. Wu, Prediction of anomalous LA-TA splitting in electrides, Matter Radiat. Extremes 6, 038403 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0043276.