科技前沿：研究人员证实先前被认为不可能存在的超导体


图片来源：Pixabay
超导是指在某些条件下，电路中的电阻消失，导电效率变得极高的现象。存在不同的方法能使得这种现象发生，而这些方法常被认为是不相通的。近期，研究人员首次发现两种产生超导现象的方法之间的联系。这些新的认识能让人们对这种现象有更全面的理解，并在将来应用到实践之中。
物质有三种常见的状态：固态、液态还有气态。第四种物质状态被叫做等离子态，这种状态就像气态在的原子因为温度过高而分裂，留下了一团超高温的亚原子粒子混合体。实际上，还存在处于温度另一个极端的第五种状态，也叫做玻色-爱因斯坦冷凝物（Bose-Einstein condensat，BEC）。


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“BEC是一种特殊的物质状态，它并非由粒子而是由波组成，” 东京大学固态物理研究所的副教授Kozo Okazaki说，“当物质温度降低接近绝对零度时，一些材料中原子的边界会模糊，这种‘模糊’逐渐增加时，直到原子（在这种情况下，原子更像波）重叠，变得很难区分个体。产生的这种物质像是一个整体，具有在固态，气态或液态下没有的新特性，比如说超导。直到最近，BEC超导材料只在理论上可行，但是现在我们在实验室中利用一种基于铁和硒（一种非金属）的新材料进行了证明。”
这是BEC第一次在实验中被证实可以作为超导体，然而，其他物质形式或机制也可以产生超导体。 Bardeen-Cooper-Shrieffer （BCS）机制是一种物质粒子排列方式，在冷却到接近绝对零度时会组成原子，运动变慢并排成一排，这让电子更容易通过。BCS和BEC两者都需要低温条件，两者也都包含原子速度变慢的现象。但是除此之外这两种机制还是非常不同的。长久以来，研究人员认为如果这两种机制能被发现在某些方面有重合，那这将帮助研究人员对超导现象有更全面的认识。


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“证明BEC的超导性质是达到目的一种方法，我们非常希望能探究BEC和BCS之间的重合” Okazaki说，“这非常具有挑战性，但是我们独特的实验仪器和观测方法已经证明了，在这两种机制之间有平滑的过渡。这暗示了在超导现象背后一种更全面的基础理论。这是在这个领域工作时一个令人激动的时刻。”
Okazaki和他的团队使用基于超低温和高能量分辨率激光的光发射光谱法，观察一种材料在BCS到BEC状态之间的电子行为。电子在这两种状态之间的表现不同，这种行为变化能帮助他们弥补超导现象更广泛全面的描述中的一些空缺。
超导现象不仅仅是实验室中的基于好奇的研究，诸如电磁体等超导设备已经在现实中应用，世界上最大的粒子加速器，“大型强子对撞机”就是这样的例子。然而，就像上文中描述的那样，超导现象需要超低温，这阻止了我们希望在日常生活中看到的超导设备的研发。所以，能找到较高温度，甚至有一天能是室温的超导材料非常有吸引力，这毫不让人惊奇。
“有了超导BES的确凿证据，我认为也将促进其他研究人员研究探索存在于更高的温度下的超导材料，” Okazaki说，“现在这可能听起来像科幻小说，但是如果超导材料能存在于室温，我们产生能量的能力将被大大提高，我们对能量的需求也将降低。”
翻译：王嘉钰
审校：郝豪
文章来源：东京大学


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