電子配對(duì)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子態(tài) 科學(xué)家提出費(fèi)米子四倍增證據(jù)

超導(dǎo)的核心原理是電子形成對(duì)。但它們也能凝聚成“四人組”嗎?最新研究結(jié)果表明它們可以。瑞典物理學(xué)家20日在《自然·物理學(xué)》雜志發(fā)表了關(guān)于這種四倍效應(yīng)和這種物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生機(jī)制的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

瑞典皇家理工學(xué)院教授伊戈?duì)?middot;巴巴耶夫在對(duì)鐵基材料Ba1-xKxFe2As2的一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)量中提出了費(fèi)米子四倍增的證據(jù)。該結(jié)果是在巴巴耶夫首次預(yù)測(cè)這種現(xiàn)象近20年后，以及在他發(fā)表論文預(yù)測(cè)這種現(xiàn)象可能發(fā)生在材料中8年后得出的。

電子配對(duì)實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)的量子態(tài)，這是一種用于磁共振成像掃描儀和量子計(jì)算的零電阻電導(dǎo)狀態(tài)。它發(fā)生在材料內(nèi)部，兩個(gè)電子結(jié)合而不是相互排斥，就像它們?cè)谡婵罩幸粯?。這種現(xiàn)象最初由約翰·巴登、利昂·庫(kù)珀和約翰·施里弗進(jìn)行理論描述，他們因此項(xiàng)工作于1972年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

所謂的庫(kù)珀對(duì)基本上是“吸引的對(duì)立面”。通常情況下，兩個(gè)電子，即帶負(fù)電荷的亞原子粒子，會(huì)強(qiáng)烈地相互排斥。但是在低溫晶體內(nèi)，它們會(huì)松散地成對(duì)結(jié)合。電子對(duì)的電流不再?gòu)娜毕莺驼系K物散射，導(dǎo)體可以失去所有電阻，成為一種新的物質(zhì)狀態(tài)：超導(dǎo)體。

但直到最近幾年，四費(fèi)米子凝聚體的理論思想才被廣泛接受。

巴巴耶夫說(shuō)，要使費(fèi)米子四倍態(tài)發(fā)生，必須有一些東西可以防止對(duì)的凝聚，阻止它們無(wú)阻力地流動(dòng)，同時(shí)允許四電子復(fù)合物的凝聚。

巴登—庫(kù)珀—施里弗理論不允許這種行為，當(dāng)巴巴耶夫在德累斯頓工業(yè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)合作者瓦蒂姆·格林年科在2018年發(fā)現(xiàn)費(fèi)米子四倍冷凝物的第一個(gè)跡象時(shí)，它挑戰(zhàn)了多年來(lái)流行的科學(xué)共識(shí)。研究人員隨后在多個(gè)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了3年的實(shí)驗(yàn)和調(diào)查，以驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)。

巴巴耶夫說(shuō)，觀測(cè)的關(guān)鍵是費(fèi)米子四重凝聚自發(fā)地打破了時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性。在物理學(xué)中，時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性是一種數(shù)學(xué)運(yùn)算，它用公式或方程中的負(fù)數(shù)替換時(shí)間表達(dá)，以便它們描述時(shí)間倒流或所有運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)的事件。

如果將時(shí)間方向倒轉(zhuǎn)，物理學(xué)基本定律仍然適用。這也適用于典型的超導(dǎo)體：如果時(shí)間的箭頭倒轉(zhuǎn)，典型的超導(dǎo)體仍將處于相同的超導(dǎo)狀態(tài)。

巴巴耶夫表示：“然而，在我們報(bào)告的四費(fèi)米子凝聚體的情況下，時(shí)間逆轉(zhuǎn)使它處于不同的狀態(tài)?？赡苄枰嗄甑难芯坎拍芡耆私膺@種狀態(tài)。這些實(shí)驗(yàn)提出了許多新問(wèn)題，揭示了與熱梯度、磁場(chǎng)和超聲波反應(yīng)相關(guān)的許多仍需更好理解的其他異常特性。”(科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然)

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