发表在《科学》(Science)杂志上的一项研究揭示了一种全新的物质状态。研究表明，库柏对(Cooper pairs)——能产生超导性的电子二对——也能像普通金属那样导电。

 

多年来，物理学家们一直认为库柏对(使超导体能够无电阻导电的电子二对)是两种技术。它们要么自由滑动，形成超导状态，要么被卡住在材料内部，形成绝缘状态，根本无法移动。

 

但是在今天(2019年11月14日)发表在《科学》杂志上的一篇新论文中，一组研究人员表明，库珀对也可以像普通金属一样，通过一定的电阻进行导电。研究人员说，这些发现描述了一种全新的物质状态，这需要一个新的理论解释。

 

“有证据表明,这种金属状态会出现在薄膜超导体冷却时对他们的超导温度,但是否涉及库伯对国家是一个悬而未决的问题,”吉姆说水手,布朗大学的物理学教授,该研究的通讯作者。“我们已经开发了一种技术，使我们能够测试这个问题，我们证明，库柏对确实负责运输这种金属状态的电荷。有趣的是，在基本层面上，没有人非常确定他们是如何做到这一点的，所以这一发现将需要更多的理论和实验工作来理解到底发生了什么。”

 

“科学是建立在发现的基础上的，发现一些全新的东西真是太棒了。——吉米·许

 

库珀对以利昂·库珀的名字命名，他是布朗大学的物理学教授，因描述了它们在实现超导性方面的作用而获得1972年的诺贝尔奖。当电子移动时，在材料的原子晶格中振动，就产生了电阻。但当电子结合在一起成为库珀对时，它们会经历一个显著的转变。电子本身就是费米子，即遵循泡利不相容原理的粒子，这意味着每个电子都倾向于保持自己的量子态。然而，库柏对的行为就像玻色子，它们可以愉快地共享相同的状态。这种玻色子行为使得库柏对与其他库柏对组合协调运动，从而将阻力降低到零。天富登录

 

2007年，瓦勒斯与布朗工程和物理学教授吉米·许(Jimmy Xu)合作，证明库珀对不仅可以产生超导，还可以产生绝缘状态。在非常薄的材料中，它们并没有协调移动，而是合不来地呆在一个地方，被困在一种材料中的小岛上，不能跳到下一个岛上去。

 

在这项新的研究中，Valles、Xu和他在中国的同事们寻找非超导金属状态下的库珀对，他们使用的技术类似于发现库珀对绝缘体的技术。这项技术包括用微孔阵列制作薄膜超导体——在这种情况下是高温超导体钇钡氧化铜(YBCO)。当这种材料有电流通过并暴露在磁场中时，材料中的载流子就会像水绕着排水管旋转一样绕着这些洞旋转。天富登录

“我们可以测量这些电荷旋转的频率，”Valles说。“在这种情况下，我们发现频率是一致的，有两个电子在同一时间，而不是只有一个。所以我们可以得出结论，这种状态的载流子是库柏对，而不是单个电子。”

 

研究人员说，类似玻色子的库珀对导致这种金属状态的想法有点令人惊讶，因为量子理论的一些元素表明这是不可能的。因此，了解这种状态下发生了什么可能会导致一些令人兴奋的新物理学，但还需要更多的研究。

 

幸运的是，研究人员说，在高温超导体中检测到这种现象的事实将使未来的研究更加实际。YBCO在-181摄氏度左右开始超导，金属相在略高于这个温度时开始。这个温度相当低，但比其他在绝对零度以上活动的超导体要热得多。较高的温度使得使用光谱学和其他技术更容易更好地了解金属相中发生了什么。

 

研究人员说，将来有可能利用这种玻色子金属状态制造新型电子设备。

 

Valles说:“与电子相比，玻色子更倾向于处于波状状态，因此我们认为它们有相位并像光一样产生干涉。”“因此，通过研究玻色子之间的干涉，可能会有一种新的方式来让电荷在设备中移动。”