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美国超导研究获100年新突破!新特性超出科学家认知,或改变游戏规则!

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现代物理学的终极目标之一就是发掘超导体的潜力,使电流在室温下能以零电阻流动。为了实现这一核心技术的突破,数代科学家潜心研究并已取得不小的成果。近日,美国科学家在超低温下观测到一种奇异的材料,其具有的特性与我们已有的认知截然不同,这意味着它的潜力也可能是无穷的。更或者,这一研究为我们打开了 一扇通过终极目标的大门…

超导理论认为,金属中自旋相反的电子可以配对形成库珀对,库珀对在晶格当中可以无损耗的运动,从而形成超导电流。迄今为止,科学家已在许多材料中发现了这种超导性,而且已经被用于核磁共振仪和磁悬浮列车中产生强磁场。然而,维持超低温的昂贵和体积庞大的设备限制了超导材料更广泛地应用。

最近,物理学家在超导研究方面取得了意想不到的突破。美国马里兰大学的研究人员在超低温度下探测一种奇异材料时,观察到了一种新型的超导性。这种超导性不仅出现在一种意想不到的材料中,而且依赖于电子相互作用,与我们迄今所见的配对电子的作用完全不同,这意味着以人类的思维无法预测它可能具有的潜力,具有令我们的世界发生革命性改变的巨大潜力…

要理解这种差异,需要知道电子的相互作用方式是由自旋量子特性决定的。在常规超导体中,电子自旋为1/2,但在YptBi这种特殊的材料中,研究人员发现电子有另一种自旋态,即3/2。物理学家Johnpierre Paglione解释:“从没有人认为固体材料存在这种可能,单个原子中的高自旋态是可能的,但是一旦将原子放在一个固体中,这些高自旋态通常会分裂,最终形成降为1/2自旋态。”

几年前YptBi的首次发现可以说是超导领域的一个惊喜。因为这种材料实际上并不符合超导体几个主要标准,即在常温下相对导体,具有大量的移动电子。根据传统超导理论,在低于0.8K的温度下,YPtBi需要大约1000倍以上的自由移动电子才能成为超导体。然而,当研究人员冷却材料时,他们惊喜地看到了超导现象。

为究其原因,最新的研究着眼于材料与磁场相互作用的关系,以便更为准确了解材料内部到底发生了什么。通常当一种材料向超导体过渡时(降温),它逐渐从其表面上排除任何附加的磁场,然后迅速衰减。于是,美国研究小组使用铜线圈来检测YPtBi的磁性能随温度的变化。

研究发现,随着材料从绝对零度升温,材料的磁通量呈线性增加,而不是呈指数级增长,这正是超导体的重要特性。经过一系列测量和计算后,研究人员得出结论:电子伪装成具有较高自旋的粒子。而科学家之前在对超导体的认知中这是根本不可能性。虽然这种新型的超导性现在仍然需要低温,但这一发现为整个领域提供了一个全新的方向。

这一结果绝对是令人难以置信的存在,还需要更深入地研究。但客观地讲,这一研究可以称得上是近百年来超导体研究的新突破…过去,超导性局限于电子的自旋配对,而从今往后将会考虑更高的自旋态。这样一来,整个超导研究的前景就会大大增加,相信在不久的将来会有更多令人惊喜的发现!

文/朱张航宇

参考文献:Beyond triplet: Unconventional superconductivity in a spin-3/2 topological semimetal,Science Advances, 2018, Vol.4, no.4, eaao4513.