北京時(shí)間 10 月 22 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性的核心原理是電子對(duì)（稱(chēng)為“庫(kù)珀對(duì)”）的形成。那么，這些電子對(duì)能否凝聚“4 個(gè)一組”的狀態(tài)？最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，這種可能性確實(shí)存在。來(lái)自瑞典皇家理工學(xué)院的物理學(xué)家發(fā)表了關(guān)于這種物質(zhì)狀態(tài)的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明了該效應(yīng)的存在及其發(fā)生機(jī)制。
▲ 電子配對(duì)使超導(dǎo)量子態(tài)成為可能，這是一種零電阻的導(dǎo)電狀態(tài)，可用于核磁共振掃描儀和量子計(jì)算
在發(fā)表于《自然-物理學(xué)》（Nature Physics）的論文中，葉戈?duì)?巴巴耶夫教授及其合作者提出了費(fèi)米子在鐵基材料 Ba1?xKxFe2As2 上的一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)量中增加為 4 倍的證據(jù)。早在近 20 年前，巴巴耶夫就首次預(yù)測(cè)了這種現(xiàn)象；而在 8 年前，他發(fā)表了一篇預(yù)測(cè)這種現(xiàn)象可能發(fā)生在這種材料中的論文。
電子配對(duì)使超導(dǎo)量子態(tài)成為可能，這是一種零電阻的導(dǎo)電狀態(tài)，可用于核磁共振掃描儀和量子計(jì)算。電子配對(duì)發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部，是兩個(gè)電子結(jié)合的結(jié)果，而不會(huì)像在真空中那樣相互排斥。利昂?庫(kù)珀、約翰?巴丁和約翰?施里弗最早對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了理論描述，該研究成果 —— 即 BCS 理論 —— 使他們?cè)?1972 年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，所謂的庫(kù)珀對(duì)基本上就是“異性相吸”。通常情況下，兩個(gè)帶負(fù)電的電子會(huì)強(qiáng)烈排斥對(duì)方，但在低溫下，它們會(huì)松散地成對(duì)結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。電子對(duì)的電流不再因?yàn)榫Ц袢毕莺妥璧K而分散，導(dǎo)體也因此失去所有的電阻，成為一種新的物質(zhì)狀態(tài)：超導(dǎo)體。一般而言，電子之間都有微小的引力，這使得電子的能量低于費(fèi)米能時(shí)，電子就會(huì)結(jié)合在一起；這一能量降低的量級(jí)大約是 1meV，而常規(guī)溫度對(duì)應(yīng)的熱運(yùn)動(dòng)能量相對(duì)較大，因此庫(kù)珀對(duì)現(xiàn)象通常要在低溫下才會(huì)出現(xiàn)，即所謂的低溫超導(dǎo)。
▲ 研究者采用鐵基超導(dǎo)體材料 Ba1?xKxFe2As2 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量
然而，BCS 理論并不能成功解釋非常規(guī)超導(dǎo)體，或高溫超導(dǎo)的現(xiàn)象。直到最近幾年，四費(fèi)米子凝聚態(tài)的理論思想才被廣泛接受。為了實(shí)現(xiàn)費(fèi)米子的四倍狀態(tài)，就必須有某種東西阻止配對(duì)的凝聚及其無(wú)阻礙的流動(dòng)，同時(shí)允許四電子復(fù)合材料的凝聚。
BCS 理論中不允許這樣的情況出現(xiàn)，因此，當(dāng)巴巴耶夫在德累斯頓工業(yè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)合作者瓦迪姆?格林年科于 2018 年發(fā)現(xiàn)了費(fèi)米子 4 倍凝聚的第一個(gè)跡象時(shí)，多年來(lái)普遍存在的科學(xué)共識(shí)便受到了挑戰(zhàn)。隨后，為了驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，他們?cè)诙鄠€(gè)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)三年的實(shí)驗(yàn)和研究。
在這些研究中，最關(guān)鍵的是觀察到了費(fèi)米子四重凝聚會(huì)自發(fā)地打破時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性。在物理學(xué)中，時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)是一種數(shù)學(xué)運(yùn)算手段，即在公式或方程中，用時(shí)間的負(fù)數(shù)來(lái)表達(dá)時(shí)間，從而描述時(shí)間反演或所有運(yùn)動(dòng)反演的事件。
如果在時(shí)間反演的情況下，物理的基本定律仍然成立，即物理系統(tǒng)保有對(duì)稱(chēng)性，則可以稱(chēng)為時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)。這也適用于典型的超導(dǎo)體：如果時(shí)間箭頭倒轉(zhuǎn)，典型的超導(dǎo)體仍然會(huì)保持相同的超導(dǎo)狀態(tài)。
然而，在四費(fèi)米子凝聚的情況下，時(shí)間反演會(huì)使其處于不同的狀態(tài)，要完全理解這種狀態(tài)可能還需要很多年的研究。這些實(shí)驗(yàn)提出了一些新的問(wèn)題，揭示了與這種凝聚狀態(tài)對(duì)熱梯度、磁場(chǎng)和超聲波反應(yīng)相關(guān)的其他一些不尋常的特性，還需要進(jìn)一步理解這些特性。
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