奇异的库珀对再次带来意外的发现

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金属是一种非常常见的材料。但是所有已知的金属态都是由具有费米的电子所组成的。但本文所描写的实验好像发现了一个例外。通过测量改变磁场所引起的电阻的震荡现象，物理学家发现这个新的金属态中的载流子好像不是带电为1的电子，而是带电为2的电子对。如果这一解释是正确的，那么这将是一个由带电为2的玻色子所组成的新的金属态，因为电子对是一个具有玻色统计的粒子。有很长一段时间，物理学家认为，带电的玻色子只能形成绝缘态或者超流态，金属的态是不可能的。但近二、三十年来对拓扑序及其演生规范场的研究， 人们发现如果有伴随的拓扑序及演生规范场，带电的玻色子就有可能形成金属态。这使本文介绍的实验非常有意思。现在还不是很清楚观测到的电阻随磁场的震荡关系有没有其他的解释（而不是上面提到的带电为2的电子对解释）。如果进一步的实验能确认这个金属态真的是由带电为2电子对所组成的，那这将是一个重大的发现。

——文小刚

来源 ∣ 原理

在高温超导材料薄膜上印刻着纳米尺寸的小孔，揭示出使超导性成为可能的库珀对也能使材料像金属那样导电。| 图片来源：Valles lab / Brown University

库珀对是一种神秘的量子现象。多年来，物理学家一直认为，这种能使超导体在零电阻的情况下导电的电子对，只有两种表现：它们要么非常活跃，行为就像是玻色子一样，使材料形成超导态；要么卡在材料内部无法移动半步，从而使材料成为绝缘体。

然而，在一篇刊登在《科学》杂志的新论文中，一组物理学家团队发现，库珀对也可以像普通金属那样，在有一定电阻的情况下导电。这一发现描述了一种全新的物质状态，需要新的理论才能加以解释。

实验发现，随着刻印时间的增长，高温超导体薄膜会经历量子相变，首先从超导态（SC）转变到反常金属态（AM1），然后从反常金属态转变到绝缘态（INS）。从图中可以看到反常金属态在低温下仍然存在剩余电阻。| 参考资料[1]

过去曾有研究表明，当薄膜超导体在朝着它们的超导温度冷却时，就有可能出现金属状态，但这一过程是否涉及到库珀对一直是个悬而未决的问题。为了检验这一问题，物理学家们在新的研究中开发了一种技术，使他们能够确定在这种金属状态下，确实是库珀对在负责传输电荷。然而目前并没有人能真正从根本上确定这些库珀对是如何做到这一点的，所以这一新的发现还需要更多的理论和实验工作才能完善对它的理解。

熟悉超导体的读者对“库珀对”这个概念不会陌生，它是以物理学教授利昂·库珀（Leon Cooper）的名字命名的。库珀也因他描述了这些电子对在促进超导效应上所起到的作用而获得了1972年的诺贝尔物理学奖。

当电子在物质的原子晶格中运动时，电阻就产生了。但是当两个电子结合起来形成库珀对时，它们会经历一个明显的转变。电子是一种费米子，也就是说它们是遵循泡利不相容原理的粒子，这意味着每个电子都倾向于维持自己的量子态。而库珀对的行为像是玻色子，它们可以愉快地共享同一状态。这种玻色子行为使得库珀对能够与其他库珀对协调运动，从而将阻力降至为零。

2007年，两名布朗大学的物理学教授一起证明，库珀对除了能产生超导性之外，也可以产生绝缘态。在非常薄的材料中，它们不是一起移动，而是“合谋”一同待在原地，就像是被困在了材料中的一座座孤岛上，无法跳到另一个岛屿上。

在这项新的研究中，物理学家使用了与当初揭示库珀对绝缘态相似的技术，探寻了非超导的金属状态下库珀对的性质。这项技术需要在薄膜超导体上刻印一排排微孔阵列。在实验中，他们选择的薄膜超导材料是钇钡铜氧（YBCO）。当这种材料被暴露在磁场中，并有电流通过时，材料中的载流子（电荷载体）就会环绕这些微孔运动，就像水在排水管口盘旋一样。

如此一来，研究人员就能测量电荷环绕微孔的频率。他们发现，这个频率与在微孔周围有两个电子环绕的情况相符，而不是只有一个电子环绕的情况。因此可以得出结论，这种状态下的载流子依旧是库珀对，而不是单电子。也就是说，与这种薄膜超导的金属态有关的，是有着玻色子行为的库珀对。

刻印着成排微孔阵列的高温超导体薄膜示意图。蓝色三角形区域表示超导岛屿；紫色圆形表示库珀对。| 参考资料[1]

这一结论令物理学家大感意外，因为根据量子理论来看，这应该是不可能的。因此，在进一步理解这种状态下究竟发生了什么的过程中，很有可能会产生一些令人眼前一亮的新物理学。

而且更值得高兴的是，这种现象是在高温超导体中被检测到的，因此它对未来的研究更具有实际应用价值。YBCO会在冷却到93K（-181℃）左右时开始具有超导性，在略高于这一温度时，则会表现为金属相。对我们来说，这的确一个非常寒冷的温度，但它比其他超导体的转变温度要高得多，许多超导体只在略高于绝对零度的温度上才会表现出超导性。YBCO的高温超导性使得物理学家在对它进行研究时可以采用更多其他技术，从而使得对其金属相的研究变得更加容易。

目前，研究人员只是很高兴他们发现了一种新的物质状态。但在未来，科学家或许可以利用这种玻色子金属态来制造新型的电子设备。因为与电子相比，玻色子更倾向于表现出波的状态，所以它们具有相位，会像光一样产生干涉，从而可能创造出新的模式。这样科学家可以通过操纵玻色子之间的干涉来移动设备中的电荷。

这些新的发现总能为科学带来新的希望。

参考资料

[1] Intermediate bosonic metallic state in the superconductor-insulator transition: 

https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798

[2] https://www.brown.edu/news/2019-11-14/cooperpair

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