物理學家竟發現不可能溫度下的超導現象

科學家們發現了一個關鍵過程，該過程是在比此前所認爲的更高溫度下發生超導性所必需的。這可能是在尋找物理學的“聖盃”之一——能在室溫下運行的超導體的過程中雖小但重要的一步。

這一發現是在一種看似不太可能的電絕緣體材料內部得出的，揭示了電子在高達零下 190 華氏度（約合零下 123 攝氏度）的溫度下進行配對——這是極冷超導材料中近乎無損電流的秘密成分之一。

到目前爲止，物理學家們對爲什麼會發生這種情況感到困惑。但理解它可能有助於他們找到室溫超導體。研究人員於 8 月 15 日在《科學》雜誌上發表了他們的研究結果。

“電子對告訴我們，它們已經準備好成爲超導體，但有東西在阻止它們，”共同作者徐克軍

當電子穿過一種材料時，超導性由電子穿過材料時在其尾跡中留下的漣漪產生。在足夠低的溫度下，這些漣漪使原子核相互吸引，進而導致電荷產生輕微偏移，進而將第二個電子吸引到第一個電子處。

通常，兩個負電荷應該相互排斥。但相反，奇怪的事情發生了：電子相互結合形成了一個“庫珀對”。

庫珀對所遵循的 量子力學 規則與單個電子不同。它們不像單個電子那樣在能量殼層中向外堆積，而是表現得如同光粒子，無數個庫珀對可以同時佔據空間中的同一點。如果在整個材料中產生足夠數量的這些庫珀對，它們就會成爲超流體，流動時不會因電阻而損失任何能量。

1911 年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）發現了首批超導體，它們在難以想象的低溫——接近 絕對零度（零下 459.67 華氏度，或零下 273.15 攝氏度）時轉變爲這種零電阻狀態。然而，在 1986 年，物理學家發現了一種銅基材料，稱爲銅酸鹽，它在溫度高得多（但仍然非常冷）的零下 211 華氏度（零下 135 攝氏度）時成爲超導體。

物理學家希望這一發現能引領他們找到室溫超導體。然而，對於導致銅酸鹽表現出其不尋常行爲的原因，相關見解的進展緩慢，去年，有關可行室溫超導體的熱門說法最終以 數據造假指控 和 失望 收場。

爲了進一步研究，參與這項新研究的科學家們將目光轉向了一種名爲釹鈰氧化銅的銅酸鹽。這種材料的最高超導溫度相對較低，低至零下 414.67 華氏度（即零下 248 攝氏度），因此科學家們此前未曾費心對其進行深入研究。但當研究人員將紫外線照射到其表面時，他們觀察到了一些奇怪的現象。

通常情況下，當光包或者光子撞擊帶有未配對電子的銅酸鹽時，光子會爲電子提供足夠能量，讓電子從材料中彈出，致使材料損失大量能量。但庫珀對中的電子能夠抵禦光子的驅逐，從而使材料僅損失少量能量。

儘管這種新材料只有在非常低的溫度下才會呈現零電阻狀態，但研究人員發現，其能隙在高達 150 開爾文時仍然存在，而且奇怪的是，在大多數抵抗電流流動能力最強的樣本中，配對作用最爲顯著。

這意味着，即便銅酸鹽不大可能實現室溫超導性，但其或許蘊含着一些能找到可實現此性能的材料的線索。

“我們的這一發現開闢了一條潛在的、內容豐富的新路徑。我們打算在未來對這種配對能隙展開研究，以助力採用新方法來設計超導體，”資深作者沈志勳，斯坦福大學的物理學教授，於聲明中表示。“一方面，我們打算運用類似的實驗方法來進一步加深對這種非相干配對狀態的瞭解。另一方面，我們期望找到操控這些材料的辦法，或許能夠促使這些非相干對達成同步。”