證明以前認為不可能的超導體,玻色–愛因斯坦凝態具有超導性

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 10 日 10:10 | 分類 材料 Telegram share ! follow us in feedly


玻色–愛因斯坦凝態是物質的一種狀態,可以從宏觀尺度觀察到量子現象,而最近來自日本東京大學的工程師們,首次成功利用玻色愛因斯坦凝態創造出一種超導體。

一般人對物質最耳熟能詳的三態就是固態、液態、氣態,然而在自然界中乃至整個宇宙,其實物質最常見的狀態是第四態「電漿態」,比如閃電、極光、太陽、恆星等,這種狀態為高溫之下出現的高度離化氣體,彼此之間吸力為離子力。

而在電漿態之外,其實還有一種物質狀態稱為玻色–愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensate,BEC),這是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度時,所呈現出一種獨特、氣態、超流性的物質狀態,有時也被稱為物質第五態,它不是由粒子構成,而是由波構成。

過去實驗表明玻色–愛因斯坦凝態可以在宏觀尺度上觀察到量子現象,但礙於地球上實驗的玻色–愛因斯坦凝態容易受地心引力影響而轉瞬即逝,科學家正在把玻色–愛因斯坦凝態實驗搬到國際太空站上。

而最近,東京大學團隊透過基於鐵和硒(一種非金屬元素)的新型材料製造玻色–愛因斯坦凝態時,首度顯出超導性,這在過去實驗從未得到證實。

團隊想理解的問題還包含另一理論。1957 年,科學家巴丁、庫珀和施里弗提出 BCS 理論(Bardeen–Cooper–Schrieffer),把超導現象看作一種宏觀量子效應,提出金屬中自旋和動量相反的電子可以配對形成「庫珀對」,使之在晶格中無損耗運動,形成超導電流,然而 BCS 理論與玻色–愛因斯坦凝態雖然都涉及原子減速,還是有些機制不盡相同,研究人員想知道兩者機制在某種程度上是否重疊,與超導現象關聯性又有多高。

透過獨特的觀測儀器和方法,團隊幸運地觀察到材料從 BCS 過渡到 BEC 期間電子的行為相當平穩,似乎能幫助帶出超導現象背後的基礎理論。

雖然該發現目前對一般大眾還沒有任何直接應用,但增進對玻色–愛因斯坦凝態超導現象的理解,可幫助其他研究人員探索室溫超導,反過來可能導致更快、更高效的電子產品問世。新論文發表在《科學前緣》(Science Advances)期刊。

(首圖僅為示意圖,來源:pixabay

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