超導的核心原理能凝聚成“四人組”？科學家提出費米子四倍增證據(jù)

超導的核心原理是電子形成對。但它們也能凝聚成“四人組”嗎?最新研究結果表明它們可以。瑞典物理學家20日在《自然·物理學》雜志發(fā)表了關于這種四倍效應和這種物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生機制的第一個實驗證據(jù)。

瑞典皇家理工學院教授伊戈爾·巴巴耶夫在對鐵基材料Ba1-xKxFe2As2的一系列實驗測量中提出了費米子四倍增的證據(jù)。該結果是在巴巴耶夫首次預測這種現(xiàn)象近20年后，以及在他發(fā)表論文預測這種現(xiàn)象可能發(fā)生在材料中8年后得出的。

電子配對實現(xiàn)了超導的量子態(tài)，這是一種用于磁共振成像掃描儀和量子計算的零電阻電導狀態(tài)。它發(fā)生在材料內(nèi)部，兩個電子結合而不是相互排斥，就像它們在真空中一樣。這種現(xiàn)象最初由約翰·巴登、利昂·庫珀和約翰·施里弗進行理論描述，他們因此項工作于1972年獲得了諾貝爾獎。

所謂的庫珀對基本上是“吸引的對立面”。通常情況下，兩個電子，即帶負電荷的亞原子粒子，會強烈地相互排斥。但是在低溫晶體內(nèi)，它們會松散地成對結合。電子對的電流不再從缺陷和障礙物散射，導體可以失去所有電阻，成為一種新的物質(zhì)狀態(tài)：超導體。

但直到最近幾年，四費米子凝聚體的理論思想才被廣泛接受。

巴巴耶夫說，要使費米子四倍態(tài)發(fā)生，必須有一些東西可以防止對的凝聚，阻止它們無阻力地流動，同時允許四電子復合物的凝聚。

巴登—庫珀—施里弗理論不允許這種行為，當巴巴耶夫在德累斯頓工業(yè)大學的實驗合作者瓦蒂姆·格林年科在2018年發(fā)現(xiàn)費米子四倍冷凝物的第一個跡象時，它挑戰(zhàn)了多年來流行的科學共識。研究人員隨后在多個機構的實驗室進行了3年的實驗和調(diào)查，以驗證這一發(fā)現(xiàn)。

巴巴耶夫說，觀測的關鍵是費米子四重凝聚自發(fā)地打破了時間反轉(zhuǎn)對稱性。在物理學中，時間反轉(zhuǎn)對稱性是一種數(shù)學運算，它用公式或方程中的負數(shù)替換時間表達，以便它們描述時間倒流或所有運動反轉(zhuǎn)的事件。

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

巴巴耶夫表示：“然而，在我們報告的四費米子凝聚體的情況下，時間逆轉(zhuǎn)使它處于不同的狀態(tài)。可能需要多年的研究才能完全了解這種狀態(tài)。這些實驗提出了許多新問題，揭示了與熱梯度、磁場和超聲波反應相關的許多仍需更好理解的其他異常特性。”(科技日報記者 張夢然)