LK-99 失敗，“惡魔”粒子來了，這種粒子為真正的超導(dǎo)體帶來希望

本文來自微信公眾號：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

文 | 梅林

“惡魔”粒子，這個帶有科幻色彩的名字，讓人感覺它應(yīng)該是漫威漫畫中的一件神奇道具。其實，它確實是存在于科學(xué)領(lǐng)域中的一種粒子。那我們就先來認識一下這種神奇粒子。

什么是“惡魔”粒子？

“惡魔”粒子實際是一種等離子體激元。當能量足夠的時候，電子會從原子中“飄浮”出來。這些獲得自由的電子也能表現(xiàn)出普通等離子體的運動特征，也被看作等離子體。普通的等離子體由于所帶的正負電荷大體相等，因此是準中性的。而這些由自由電子組成的等離子體只帶有負電荷，它們被稱作非中性等離子體。

等離子體是宇宙中最常見的物質(zhì)形態(tài)，大部分存在于稀薄的星系際空間和恒星中。在地球上，我們也常見到等離子體，比如閃電。發(fā)生閃電時，強大的電流擊穿空氣，使之成為了等離子體。（圖片來源：United States Air Force）

那么簡單來說，等離子體激元就是等離子體內(nèi)的集體振動，它的行為就像一個粒子。1956 年，美國物理學(xué)家大衛(wèi)?派因斯（David Pines）提出了一個預(yù)測，他認為在固體金屬中，存在由兩種不同能量的等離子體以不同頻率振蕩產(chǎn)生的等離子體激元，這兩種等離子體激元合并成了一個粒子，它具有多種特性，比如無質(zhì)量、對光不可見、電中性、行為表現(xiàn)類似聲音等。這種粒子就是“惡魔”粒子。之所以起名叫惡魔，是因為派因斯覺得這些特征出現(xiàn)在固體金屬中太異常了。

因為“惡魔”粒子的行為如此詭異，再加上幾十年來科學(xué)家一直沒有通過實驗觀察到真正的“惡魔”粒子，因此很多人都懷疑派因斯的預(yù)測是錯誤的。不過，最新的研究告訴我們，事情并沒有那么簡單。

首次發(fā)現(xiàn)“惡魔”粒子

美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的物理學(xué)家彼得?阿巴蒙特（Peter Abbamonte）帶領(lǐng)的研究團隊，首次在釕酸鍶這一超導(dǎo)晶體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了“惡魔”粒子。這一研究發(fā)表于 2023 年 8 月 9 日的《自然》（Nature）中。

在研究中，科學(xué)家將電子從晶體上彈開，并以極高的精度測量了晶體獲得或損失的能量，然后經(jīng)過一系列研究，發(fā)現(xiàn)他們的結(jié)果與派因斯的預(yù)測非常吻合。

通過微觀計算，科學(xué)家描繪了釕酸鍶的電子結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)了一個由兩個電子能帶組成的粒子 —— 以幾乎相等的振幅異相振蕩 —— 這與派因斯的描述相符。經(jīng)過進一步的測量、計算和分析，科學(xué)界又證明了粒子的電中性和聲學(xué)特征?；谶@些特征，科學(xué)家確定他們觀察到的就是派因斯預(yù)測的“惡魔”粒子。

前面我們提到，“惡魔”粒子為科學(xué)家找尋真正的超導(dǎo)體帶來希望。這又是為什么呢？這要先從超導(dǎo)是如何產(chǎn)生的說起。根據(jù) BCS 理論（Bardeen–Cooper–Schrieffer theory，以三位發(fā)現(xiàn)者名字的首字母命名），金屬中的一些電子能互相配對，形成庫倫對，庫倫對在金屬中無損耗的自由移動就形成了超導(dǎo)電流。而蘇聯(lián)理論物理學(xué)家尼科萊?勃格留波夫（Nikolay Bogolyubov）認為，構(gòu)成庫倫對的電子需要通過聲子進行相互作用才能配對。也有科學(xué)家認為，配對的電子是通過“惡魔”粒子進行相互作用才形成庫倫對，進而形成超導(dǎo)電流的。

由此可見，“惡魔”粒子對于科學(xué)家揭示超導(dǎo)的成因至關(guān)重要，同時觀察到“惡魔”粒子的跡象也成了金屬可能成為超導(dǎo)體的一個判定因素。

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