美國超導研究獲100年新突破！新特性超出科學家認知，或改變遊戲規則！

現代物理學的終極目標之一就是發掘超導體的潛力，使電流在室溫下能以零電阻流動。為了實現這一核心技術的突破，數代科學家潛心研究並已取得不小的成果。近日，美國科學家在超低溫下觀測到一種奇異的材料，其具有的特性與我們已有的認知截然不同，這意味著它的潛力也可能是無窮的。更或者，這一研究為我們打開了 一扇通過終極目標的大門…

超導理論認為，金屬中自旋相反的電子可以配對形成庫珀對，庫珀對在晶格當中可以無損耗的運動，從而形成超導電流。迄今為止，科學家已在許多材料中發現了這種超導性，而且已經被用於核磁共振儀和磁懸浮列車中產生強磁場。然而，維持超低溫的昂貴和體積龐大的設備限制了超導材料更廣泛地應用。

最近，物理學家在超導研究方面取得了意想不到的突破。美國馬里蘭大學的研究人員在超低溫度下探測一種奇異材料時，觀察到了一種新型的超導性。這種超導性不僅出現在一種意想不到的材料中，而且依賴於電子相互作用，與我們迄今所見的配對電子的作用完全不同，這意味著以人類的思維無法預測它可能具有的潛力，具有令我們的世界發生革命性改變的巨大潛力…

要理解這種差異，需要知道電子的相互作用方式是由自旋量子特性決定的。在常規超導體中，電子自旋為1/2，但在YptBi這種特殊的材料中，研究人員發現電子有另一種自旋態，即3/2。物理學家Johnpierre Paglione解釋：「從沒有人認為固體材料存在這種可能，單個原子中的高自旋態是可能的，但是一旦將原子放在一個固體中，這些高自旋態通常會分裂，最終形成降為1/2自旋態。」

幾年前YptBi的首次發現可以說是超導領域的一個驚喜。因為這種材料實際上並不符合超導體幾個主要標準，即在常溫下相對導體，具有大量的移動電子。根據傳統超導理論，在低於0.8K的溫度下，YPtBi需要大約1000倍以上的自由移動電子才能成為超導體。然而，當研究人員冷卻材料時，他們驚喜地看到了超導現象。

為究其原因，最新的研究著眼於材料與磁場相互作用的關係，以便更為準確了解材料內部到底發生了什麼。通常當一種材料向超導體過渡時（降溫），它逐漸從其表面上排除任何附加的磁場，然後迅速衰減。於是，美國研究小組使用銅線圈來檢測YPtBi的磁性能隨溫度的變化。

研究發現，隨著材料從絕對零度升溫，材料的磁通量呈線性增加，而不是呈指數級增長，這正是超導體的重要特性。經過一系列測量和計算後，研究人員得出結論：電子偽裝成具有較高自旋的粒子。而科學家之前在對超導體的認知中這是根本不可能性。雖然這種新型的超導性現在仍然需要低溫，但這一發現為整個領域提供了一個全新的方向。

這一結果絕對是令人難以置信的存在，還需要更深入地研究。但客觀地講，這一研究可以稱得上是近百年來超導體研究的新突破…過去，超導性局限於電子的自旋配對，而從今往後將會考慮更高的自旋態。這樣一來，整個超導研究的前景就會大大增加，相信在不久的將來會有更多令人驚喜的發現！

文/朱張航宇

參考文獻：Beyond triplet: Unconventional superconductivity in a spin-3/2 topological semimetal，Science Advances, 2018, Vol.4, no.4, eaao4513.

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