科技前沿：研究人員證實先前被認為不可能存在的超導體


圖片來源：Pixabay
超導是指在某些條件下，電路中的電阻消失，導電效率變得極高的現象。存在不同的方法能使得這種現象發生，而這些方法常被認為是不相通的。近期，研究人員首次發現兩種產生超導現象的方法之間的聯係。這些新的認識能讓人們對這種現象有更全麵的理解，並在將來應用到實踐之中。
物質有三種常見的狀態：固態、液態還有氣態。第四種物質狀態被叫做等離子態，這種狀態就像氣態在的原子因為溫度過高而分裂，留下了一團超高溫的亞原子粒子混合體。實際上，還存在處於溫度另一個極端的第五種狀態，也叫做玻色-愛因斯坦冷凝物（Bose-Einstein condensat，BEC）。


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“BEC是一種特殊的物質狀態，它並非由粒子而是由波組成，” 東京大學固態物理研究所的副教授Kozo Okazaki說，“當物質溫度降低接近絕對零度時，一些材料中原子的邊界會模糊，這種‘模糊’逐漸增加時，直到原子（在這種情況下，原子更像波）重疊，變得很難區分個體。產生的這種物質像是一個整體，具有在固態，氣態或液態下沒有的新特性，比如說超導。直到最近，BEC超導材料隻在理論上可行，但是現在我們在實驗室中利用一種基於鐵和硒（一種非金屬）的新材料進行了證明。”
這是BEC第一次在實驗中被證實可以作為超導體，然而，其他物質形式或機製也可以產生超導體。 Bardeen-Cooper-Shrieffer （BCS）機製是一種物質粒子排列方式，在冷卻到接近絕對零度時會組成原子，運動變慢並排成一排，這讓電子更容易通過。BCS和BEC兩者都需要低溫條件，兩者也都包含原子速度變慢的現象。但是除此之外這兩種機製還是非常不同的。長久以來，研究人員認為如果這兩種機製能被發現在某些方麵有重合，那這將幫助研究人員對超導現象有更全麵的認識。


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“證明BEC的超導性質是達到目的一種方法，我們非常希望能探究BEC和BCS之間的重合” Okazaki說，“這非常具有挑戰性，但是我們獨特的實驗儀器和觀測方法已經證明了，在這兩種機製之間有平滑的過渡。這暗示了在超導現象背後一種更全麵的基礎理論。這是在這個領域工作時一個令人激動的時刻。”
Okazaki和他的團隊使用基於超低溫和高能量分辨率激光的光發射光譜法，觀察一種材料在BCS到BEC狀態之間的電子行為。電子在這兩種狀態之間的表現不同，這種行為變化能幫助他們彌補超導現象更廣泛全麵的描述中的一些空缺。
超導現象不僅僅是實驗室中的基於好奇的研究，諸如電磁體等超導設備已經在現實中應用，世界上最大的粒子加速器，“大型強子對撞機”就是這樣的例子。然而，就像上文中描述的那樣，超導現象需要超低溫，這阻止了我們希望在日常生活中看到的超導設備的研發。所以，能找到較高溫度，甚至有一天能是室溫的超導材料非常有吸引力，這毫不讓人驚奇。
“有了超導BES的確鑿證據，我認為也將促進其他研究人員研究探索存在於更高的溫度下的超導材料，” Okazaki說，“現在這可能聽起來像科幻小說，但是如果超導材料能存在於室溫，我們產生能量的能力將被大大提高，我們對能量的需求也將降低。”
翻譯：王嘉鈺
審校：郝豪
文章來源：東京大學


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