北京時間 10 月 22 日消息，據(jù)國外媒體報道，實現(xiàn)超導(dǎo)電性的核心原理是電子對（稱為“庫珀對”）的形成。那么，這些電子對能否凝聚“4 個一組”的狀態(tài)？最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，這種可能性確實存在。來自瑞典皇家理工學(xué)院的物理學(xué)家發(fā)表了關(guān)于這種物質(zhì)狀態(tài)的第一個實驗證據(jù)，證明了該效應(yīng)的存在及其發(fā)生機制。
▲ 電子配對使超導(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算
在發(fā)表于《自然-物理學(xué)》（Nature Physics）的論文中，葉戈爾?巴巴耶夫教授及其合作者提出了費米子在鐵基材料 Ba1?xKxFe2As2 上的一系列實驗測量中增加為 4 倍的證據(jù)。早在近 20 年前，巴巴耶夫就首次預(yù)測了這種現(xiàn)象；而在 8 年前，他發(fā)表了一篇預(yù)測這種現(xiàn)象可能發(fā)生在這種材料中的論文。
電子配對使超導(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算。電子配對發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部，是兩個電子結(jié)合的結(jié)果，而不會像在真空中那樣相互排斥。利昂?庫珀、約翰?巴丁和約翰?施里弗最早對這一現(xiàn)象進行了理論描述，該研究成果 —— 即 BCS 理論 —— 使他們在 1972 年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
簡單來說，所謂的庫珀對基本上就是“異性相吸”。通常情況下，兩個帶負電的電子會強烈排斥對方，但在低溫下，它們會松散地成對結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的長程有序結(jié)構(gòu)。電子對的電流不再因為晶格缺陷和阻礙而分散，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米能時，電子就會結(jié)合在一起；這一能量降低的量級大約是 1meV，而常規(guī)溫度對應(yīng)的熱運動能量相對較大，因此庫珀對現(xiàn)象通常要在低溫下才會出現(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 進行實驗測量
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，四費米子凝聚態(tài)的理論思想才被廣泛接受。為了實現(xiàn)費米子的四倍狀態(tài)，就必須有某種東西阻止配對的凝聚及其無阻礙的流動，同時允許四電子復(fù)合材料的凝聚。
BCS 理論中不允許這樣的情況出現(xiàn)，因此，當巴巴耶夫在德累斯頓工業(yè)大學(xué)的實驗合作者瓦迪姆?格林年科于 2018 年發(fā)現(xiàn)了費米子 4 倍凝聚的第一個跡象時，多年來普遍存在的科學(xué)共識便受到了挑戰(zhàn)。隨后，為了驗證這一發(fā)現(xiàn)，他們在多個機構(gòu)的實驗室進行了長達三年的實驗和研究。
在這些研究中，最關(guān)鍵的是觀察到了費米子四重凝聚會自發(fā)地打破時間反演對稱性。在物理學(xué)中，時間反演對稱是一種數(shù)學(xué)運算手段，即在公式或方程中，用時間的負數(shù)來表達時間，從而描述時間反演或所有運動反演的事件。
如果在時間反演的情況下，物理的基本定律仍然成立，即物理系統(tǒng)保有對稱性，則可以稱為時間反演對稱。這也適用于典型的超導(dǎo)體：如果時間箭頭倒轉(zhuǎn)，典型的超導(dǎo)體仍然會保持相同的超導(dǎo)狀態(tài)。
然而，在四費米子凝聚的情況下，時間反演會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。這些實驗提出了一些新的問題，揭示了與這種凝聚狀態(tài)對熱梯度、磁場和超聲波反應(yīng)相關(guān)的其他一些不尋常的特性，還需要進一步理解這些特性。
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