首次證明：曾不可能的超導體，超導玻色-愛因斯坦凝聚體被發現

2020-11-09 博科園

超導是一種電路失去電阻，在一定條件下變得極其有效的現象。有不同的方式可以實現這一點，而這些方式被認為是不相容的。現在科學家們首次在這兩種實現超導的方法之間發現了一座橋梁，這一新知識可能會促使對這一現象的更全面理解，並有一天會應用到這一領域。眾所周知，物質常見的有三種狀態：固態、液態和氣態，還有誒第四種狀態叫做等離子態。

等離子體就像一種氣體，它變得如此之熱，所有的組成原子都分崩離析，留下了一堆超熱的亞原子粒子。但在溫度計的另一端有第五種物質狀態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)。東京大學固態物理研究所的岡崎小三副教授說：玻色-愛因斯坦凝聚態是一種獨特的物質狀態，因為它不是由粒子構成的，而是由波構成的。當它們冷卻到接近絕對零度時，某些材料的原子就會散落在太空中。這種塗抹會增加，直到原子（現在更像波而不是粒子）重疊，彼此變得難以區分。

由此產生的物質表現得就像是一個單一實體，具有之前的固態、液態或氣態所缺乏的新性質，比如超導。直到目前，超導玻色-愛因斯坦凝聚體還只是理論上的，但科學家現在已經在實驗室裡用一種基於鐵和硒（一種非金屬元素）的新型材料證明了這一點。這是玻色-愛因斯坦凝聚態第一次被實驗證實是作為超導體是可行的；然而，物質的其他表現形式或狀態也可以引起超導。Bardeen-Cooper-Shrieffer(BCS)體系是一種物質「安排」，當冷卻到接近絕對零度時，組成原子減速並排列成一條直線，這使得電子更容易通過。

這有效地將這類材料的電阻降為零，BCS和玻色-愛因斯坦凝聚態都需要超低溫條件，而且都涉及到原子的減速。但在其他方面，這些制度截然不同。很長一段時間以來，研究人員一直認為，如果能夠發現這些機制在某種程度上重疊，就可以對超導有更普遍的理解。東京大學固態物理研究所的岡崎小三副教授說：展示玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC）的超導電性是達到目的的一種手段，我們真希望探索BEC和BCS之間的重疊。

這極具挑戰性，但應用獨特的觀測儀器和方法已經證實了這一點：這些機制之間存在平穩過渡。這暗示了超導背後更普遍的潛在理論，現在是從事這一領域工作令人興奮的時刻。岡崎和及其研究團隊使用基於超低溫和高能量解析度的雷射光電子能譜方法，觀察了一種材料從BCS到玻色-愛因斯坦凝聚態轉變過程中電子的行為方式。電子在這兩個區域中的行為不同，它們之間的變化，有助於填補超導更大圖景中的一些空白。

然而，超導不僅僅是實驗室裡的奇聞異事；像電磁鐵這樣的超導設備已經在應用中使用了，世界上最大的粒子加速器大型強子對撞機就是這樣一個例子。然而，如上所述，這些設備需要超低溫，這阻止了我們可能每天都會看到的超導設備發展。因此，人們對尋找在更高溫度下形成超導體的方法非常感興趣也就不足為奇了，也許有一天甚至會在室溫下形成超導體。有了超導玻色-愛因斯坦凝聚態的確鑿證據，這將促使其他研究人員探索越來越高溫度下的超導。

博科園｜研究/來自：東京大學

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.abb9052

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