美首次觀察到超導(dǎo)體中重電子形成過(guò)程

某些超導(dǎo)體中，運(yùn)動(dòng)電子的性質(zhì)極為奇特。它們好像比真空中的自由電子重1000倍，但同時(shí)電子運(yùn)動(dòng)卻是毫無(wú)阻力的。最近，美國(guó)普林斯頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)最新研究顯示，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于“量子糾纏”的過(guò)程，該過(guò)程決定了晶體中運(yùn)動(dòng)電子的質(zhì)量。這一發(fā)現(xiàn)有助于人們理解超導(dǎo)性的成因，并有望在提高電網(wǎng)效率、加快計(jì)算速度等方面獲得應(yīng)用。相關(guān)論文發(fā)表在近日出版的《自然》雜志上。

將電子冷卻到超低溫形成某種固體物質(zhì)時(shí)，這些極輕的粒子就會(huì)增加質(zhì)量，好像變成了重粒。把它們冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，這種固體就有了超導(dǎo)性。其中的電子盡管很重，卻能毫無(wú)阻力地流動(dòng)，不會(huì)浪費(fèi)任何電能。

研究小組還包括洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）和加州大學(xué)歐文分校的科學(xué)家，他們利用專門(mén)設(shè)計(jì)的低溫掃描隧道顯微鏡（STM）拍攝晶體中的電子波。晶體經(jīng)過(guò)了處理，表面包含一些原子瑕疵。他們將溫度降低到實(shí)驗(yàn)需要，觀察到了電子波紋，這些波紋圍繞著瑕疵之處擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，就像在池塘里投入石頭散開(kāi)的漣漪。

“這是首次獲得重電子形成的精確畫(huà)面。在降低溫度時(shí)，我們看到晶體中的運(yùn)動(dòng)電子演變成了更重的粒子。”領(lǐng)導(dǎo)該研究的普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授阿里·雅茲達(dá)尼說(shuō)。他們通過(guò)直接拍攝的電子波圖像，不僅看到了電子質(zhì)量是怎樣增加的，還看到了重電子是由兩個(gè)糾纏電子構(gòu)成的復(fù)合體。

他們還把實(shí)驗(yàn)觀察和理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，解釋了電子為何會(huì)出現(xiàn)這種性質(zhì)。由于量子糾纏，電子糅合兩種截然相反的行為。在晶體中，重電子產(chǎn)生于兩個(gè)行為相反的電子的糾纏，其中一個(gè)被困住繞著一個(gè)原子，而另一個(gè)在各個(gè)原子之間自由地跳躍。

研究人員解釋說(shuō)，量子力學(xué)原理控制著微小粒子的行為，形成了量子糾纏，這一過(guò)程決定了晶體中運(yùn)動(dòng)電子的質(zhì)量。輕微調(diào)整這種糾纏，就能極大地改變材料的性質(zhì)。而糾纏度是決定重電子形成和進(jìn)一步冷卻時(shí)行為表現(xiàn)的關(guān)鍵。調(diào)整晶體的成分或結(jié)構(gòu)，就能調(diào)整糾纏度和電子重量。如果讓電子太重，它們就會(huì)被凍成磁化狀態(tài)，黏在每個(gè)原子旁邊，以相同的方向自旋。但如果只是輕微調(diào)整，讓電子獲得合適的糾纏數(shù)量，這些重電子就會(huì)在冷卻時(shí)變成超導(dǎo)體。“我們的研究證明了，只有當(dāng)處在‘遲緩’和‘迅速’這兩種行為的邊界時(shí)，才能獲得超導(dǎo)性。這是最有利于產(chǎn)生重電子超導(dǎo)性的條件。”雅茲達(dá)尼說(shuō)。

許多磁性材料在它們的成分或晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了微妙改變之后，變成了超導(dǎo)體。哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家蘇伯·薩奇戴伍說(shuō)，該實(shí)驗(yàn)有助于揭開(kāi)高溫超導(dǎo)的秘密，理解這種磁性和超導(dǎo)性之間的轉(zhuǎn)變，即量子臨界點(diǎn)，有助于解釋物質(zhì)為何會(huì)具有超導(dǎo)性。