發現電子古柏對新狀態,處於超導體與絕緣體的中間地帶

作者 | 發布日期 2019 年 11 月 19 日 15:51 | 分類 奈米 , 材料 , 自然科學 follow us in feedly


當溫度冷卻至接近絕對零度時,有些金屬會變成完美超導體,其中祕密就在於電子形成「古柏對」。過去科學家已發現古柏對能導致金屬變成超導體、也能變成絕緣體,現在,科學家再發現古柏對的第 3 種全新狀態:不是超導體也不是絕緣體,而是像普通金屬一樣能在有電阻的情況下導電。

我們知道某些金屬在極低溫度下,電阻會完全消失,電流在其間無損耗流動,這種現象稱為超導(Superconductivity)。剛開始科學家不懂如何解釋這種微觀現象,因為基於包立不相容原理(Pauli exclusion principle),在任何量子系統,兩個費米子都不能處於相同的量子態,而電子就是一種基本費米子,代表每個電子都只能占一個軌道,也因此當電子穿梭在金屬的原子晶格時,應該會產生電阻。

直到約翰‧巴丁、利昂‧庫珀、約翰‧施里弗於 1957 年提出 BCS 理論(BCS theory or Bardeen–Cooper–Schrieffer theory),方得以闡釋超導現象。

BCS 理論指出,超導體中自旋和動量相反的電子會兩兩結合形成「古柏對」(Cooper pair),在原子晶格中無損耗自由運動形成超導電流,形成古柏對的電子行為就像玻色子,會同時集中在單一量子態。

而古柏對除了能讓材料出現超導特性,美國布朗大學物理學家 Jim Valles 與工程與物理學家 Jimmy Xu 合作,在 2007 年時還發現古柏對也可以完全靜止,阻絕電流經過,讓材料呈現絕緣狀態。

現在,同團隊再度發現古柏對有第 3 種狀態,它也可以像普通金屬,在有一定電阻的情況下傳輸電荷。

有證據表明當薄膜超導體冷卻至超導溫度時,這種金屬態就會出現,但這是否和古柏對相關始終懸而未決,於是研究團隊開發一種新的測試方法,取來高溫超導體釔鋇銅氧化物(YBCO),上面鋪有六角形的奈米凹坑陣列並暴露於磁場,根據模型,磁場會導致電流圍繞著凹坑運動,要測試這些是單獨電子還是成對電子,只需要測量頻率即可。

測量結果顯示,這種狀態下的載子是古柏對而不是單個電子。

研究人員表示,類似玻色子的古柏對能引起這種金屬態著實令人驚訝,因為量子理論表明某些元素不可能出現該行為,也許其中藏著什麼讓人興奮的新物理學,需要進行更多研究,未來或許能利用這種金屬態生產新型電子設備。

新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:布朗大學