研究揭示了物质的新状态:铜对金属

多年来,物理学家们一直认为,使超导体无电阻导电的电子对——库珀对是两招的小马。它们要么自由滑动,形成超导状态,要么在材料内部卡住,根本无法移动,从而形成绝缘状态。

但在《科学》杂志上发表的一篇新论文中,一组研究人员发现,铜对也可以像普通金属那样,通过一定的电阻导电。研究人员说,这些发现描述了一种全新的物质状态,需要新的理论解释。

“有证据表明,这种金属状态会出现在薄膜超导体冷却时对他们的超导温度,但是否涉及库伯对国家是一个悬而未决的问题,”吉姆说水手,布朗大学的物理学教授,该研究的通讯作者。“我们开发了一种技术,使我们能够测试这个问题,我们表明,确实,库珀对负责在这种金属状态传输电荷。有趣的是,没有人能从根本上确定它们是如何做到这一点的,所以这一发现需要更多的理论和实验工作来理解到底发生了什么。”

库珀对子是以布朗大学物理学教授利昂·库珀(Leon Cooper)的名字命名的。库珀在1972年获得了诺贝尔物理学奖,因为他描述了这些对子在促进超导方面的作用。当电子在物质的原子晶格中运动时发出嘎嘎声,就产生了电阻。但是当电子结合在一起变成库珀对时,它们会经历一个显著的转变。电子本身就是费米子,即遵循泡利不相容原理的粒子,这意味着每个电子都倾向于保持自己的量子态。然而,库珀对的行为就像玻色子,它们可以愉快地共享同一状态。这种波色子的行为使库柏对能够与其他库柏对协调它们的运动,从而把阻力降低到零。

2007年,瓦勒斯与布朗大学工程学和物理学教授吉米·许(Jimmy Xu)合作,证明库珀对也可以产生绝缘状态和超导性。在非常薄的材料中,它们不是一起移动,而是合谋待在原地,被困在材料中的小岛上,无法跳跃到下一个岛屿。

在这项新的研究中,Valles, Xu和他的同事在中国寻找非超导金属态的铜对,他们使用的技术与发现铜对绝缘体的技术相似。这项技术涉及到将薄膜超导体——在这种情况下是高温超导体钇钡铜氧化物(YBCO)——与微孔阵列组合。当材料中有电流通过并暴露在磁场中时,材料中的电荷载体就会像水环绕排水管一样环绕这些小孔。

“我们可以测量这些电荷循环的频率,”Valles说。“在这种情况下,我们发现频率是一致的,即一次有两个电子而不是一个。所以我们可以得出结论,在这种状态下的载流子是库珀对,而不是单个电子。”

研究人员表示,类似玻色子的库柏对负责这种金属态的观点有些令人吃惊,因为量子理论的一些元素表明,这应该是不可能的。因此,了解这种状态下发生了什么可能会产生一些令人兴奋的新物理学,但还需要更多的研究。

幸运的是,研究人员说,这种现象在高温超导体中被检测到,这一事实将使未来的研究更加实际。YBCO在-181摄氏度左右开始超导,金属相则在略高于这个温度的温度下开始。这是相当冷的,但它比其他超导体要热得多,这些超导体在绝对零度以上活动。更高的温度使得使用光谱和其他技术来更好地了解金属相中的情况变得更加容易。

研究人员表示,未来有可能利用这种玻色子金属态制造新型电子设备。

Valles说:“关于玻色子的问题是,与电子相比,它们更倾向于处于波状状态,所以我们说它们有一个相位,就像光一样会产生干扰。”“所以可能会有新的模式,通过玩弄玻色子之间的干扰来移动设备中的电荷。”

但目前,研究人员很高兴发现了物质的一种新状态。

“科学是建立在新发现的基础上的,”徐说,“能发现一些全新的东西是很了不起的。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.brown.edu/news/2019-11-14/cooperpair

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