解释超导几十年的经典理论，还缺了什么？

图片来源：：Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

撰文 | 小雨

当一些材料的温度降到某个临界温度以下时，一种使电子两两配对的量子效应，会使材料的电阻骤降为零——这种现象被称为超导。这幅关于超导的基本物理图景，是由物理学家巴丁（John Bardeen）、库珀（Leon Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）于20世纪50年代提出的。

以三位提出者姓氏命名的巴丁-库珀-施里弗（BCS）理论已经成功解释了很大一类超导体，但它在本质上只是一个近似理论。BCS理论并不能描这些电子对彼此之间是如何相互作用的，而是假定电子对在超导体中是彼此独立分布的；因此，在某一点附近找到一对电子的概率，并不会与附近是否存在其他电子对相关。

在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，一个物理学家团队直接观测到了可模拟超导电子的冷原子体系中的空间关联，为物理学家对超导本质的基础理解补上了一个重要的新细节。

难以看清的电子世界

预测材料内部电子的集体行为，是一项极其艰巨的任务。经典粒子的多体问题本就已经非常难，而对于电子和其他费米子（一大类基本粒子，电子也属于费米子）来说，“符号问题”会使情况雪上加霜：当两个费米子交换位置时，它们的波函数会变号。这种反对称性质导出了泡利不相容原理，也让费米子多体体系的建模异常困难。

尽管如此，理论物理学家仍然成功发展出了一些简化模型——BCS理论就是其中一个著名的例子。BCS理论简洁地描绘了电子如何配对，而电子配对又进一步解释了为什么某些材料中会出现超导。

过去的实验观测在很大程度上也都与BCS理论的预测一致，但要在材料中直接测量电子的行为，却非常困难。近几十年来，超冷原子已经成为研究费米子多体问题的一个强有力替代平台。

“保持距离”的原子对

以锂-6为代表的费米原子同位素，就能够在实验中用来构建相互作用的费米气体。如此一来，物理学家就能利用费米气体中的原子来模拟电子，并在可控条件下研究超导体中的物理学规律。

在新的研究中，研究人员就将由锂原子构成的气体混合物冷却到仅比绝对零度高出几十亿分之几摄氏度。他们借助一种新开发的成像方法，拍下了这些粒子对相对位置的“快照”。

成像结果显示，已形成配对的原子的位置会受到其他原子对位置的影响。这些原子对会与其他原子对保持一定距离，就像舞厅里的一对对舞伴会与其他舞者保持间隔一样。这一发现为我们理解这类体系补充了经典 BCS 理论未能涵盖的一部分内容。

研究人员解释道，BCS理论给的视角，就像是站在舞厅外面：我们能听见音乐，也能看到舞者走出来，但并不知道舞厅里面究竟发生了什么。而新研究所使用的方法，就像是在舞厅里架起一台广角相机，让物理学家终于能看到这些舞者是如何结成舞伴、又如何彼此互动、避免撞到对方的。

为了验证这一结果，研究人员开展进一步的相关工作。他们利用量子力学进行了数值模拟，对同一体系进行了精确建模。他们的模拟所得的结果与实验结果相吻合，并揭示出了BCS理论中缺失的那些细节，其中就包括这些“舞伴”之间为何会彼此保持距离。

在实验中，被冷却到极低温度的锂原子，进入了一种无摩擦的超流态，从而模拟超导体中的电子（由于费米都遵循相同的配对物理规律，因此这些原子可以作为研究超导体中电子行为的合适替身）。这些“电子”被困在一个六边形光学晶格中，并在不同时间点被拍下它们位置的快照。正如预期的那样，这些“电子”会与具有相反自旋的“电子”配成对。研究人员观察到，这些“电子”的运动就像拥挤舞池中的舞者，会遵循一种“远距离舞步”来尽量避免彼此碰撞。（图/Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation）

拓展基础理解

这项发现拓展了物理学家对超导体以及其他由费米子构成的量子材料的基础理解。而这类基础物理上的进展，对于开发可能改变整个技术格局的更高温超导体至关重要。

20世纪80年代，科学家在研究金属合金时发现了一类新的所谓高温超导体。这类材料能在接近液氮温度的条件下表现出超导性——尽管这个温度仍然低达零下196摄氏度。科学家至今仍未弄清，这些合金为什么能在这样相对较高的温度下实现超导。但随着对超导机制理解的不断加深，研究人员希望最终能开发出能够在日常环境温度下工作的超导体；那将极大提升电网和超级计算机的效率。

参考来源

https://www.simonsfoundation.org/2026/04/15/scientists-capture-superconductivitys-dancing-pairs-for-first-time-filling-gap-in-decades-old-theory/

https://physics.aps.org/articles/v19/54

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/2t2k-3ftx

本文经授权转载自微信公众号“原理”。

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