河北
科学家首次直接拍下了超导性背后的量子过程，这是一种在足够低的温度下，成对电子导致电流无电阻流动的现象。结果跟他们想的不太一样。
这项研究于4月15日发表在《物理评论快报》上，科学家们直接拍下了单个原子配对的过程。这些原子处于一种特殊气体中，几乎被冷却到绝对零度——这是理论上温度能达到的最低极限。这种气体被称为费米气体，使科学家能够用原子替代电子，并用可控的方式研究超导体的物理特性。
令人惊讶的是，科学家发现配对后，原子会同步跳起舞，它们的位置受其他配对影响——这一现象是已经有70年历史的诺贝尔奖超导理论所未预测到的。
“我们的实验表明，这个理论从本质上缺了点什么，”巴黎法国国家科研中心卡斯特勒·布罗塞尔实验室的实验研究负责人塔里克·耶夫萨说。耶夫萨和CNRS的其他实验物理学家与理论物理学家（包括西蒙斯基金会弗拉特铁隆研究所的张世伟）合作完成了这项新研究。
这些发现为科学家对超导现象的基本理解增添了一个重要的新细节，并可能有助于寻找室温超导体——现代物理学的圣杯，有望实现电网和电子设备的超高效率。
超导通常发生在被冷却到极低温度的特殊金属中——远低于地球上任何自然出现的温度。当这些材料低于临界温度时，由于一种量子效应，电子像舞池中的舞者一样成对配对，它们的电阻会骤降至零。超导的这一基本物理原理最早是在20世纪50年代由美国物理学家约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗提出的理论中阐述的。
但以其发明者命名的BCS理论只是一个近似框架；它无法描述超导的所有方面，也无法解释所有类型的超导体。物理学家们知道有些东西缺失，但尽管进行了多年研究，却并不确切知道缺少什么。
“BCS理论告诉我们，超导产生是因为电子有成对的倾向，”弗拉特铁研究所计算量子物理中心（CCQ）的高级研究科学家兼团队负责人张说，“但这是一个粗略的理论，它没有告诉我们关于这些电子对如何相互作用的任何信息。”事实上，BCS理论假定这些对在超导体中独立分布，因此在一个给定点附近找到一对的概率与附近是否存在其他对无关。
量子舞池内部探秘
在这项新研究中，来自法国国家科学研究中心的实验物理学家与CCQ的理论物理学家合作，探究了粒子对间的相互关联。
实验物理学家利用一种新开发的成像方法，捕捉到了粒子对相对位置的图像。科学家们使用了一种由锂原子组成的特殊气体混合物，将其冷却到只比绝对零度高那么亿分之几摄氏度。在此温度下，原子变成费米子，这是包括电子在内的一类基本粒子。由于这些费米子都遵循相同的配对物理规律，因此这些原子是研究超导体中电子行为的理想模拟对象。
成像结果显示，配对原子的位置会受到其他配对原子的影响。Yefsah表示，配对原子之间会自觉保持距离，就像舞池中的舞伴与其他舞者保持距离一样。这个发现帮助我们看到了这些系统的新面貌，而这是历史性的BCS理论所缺失的。
"BCS理论让我们只能站在舞池外面看，能听到音乐，看到舞者走出来，但我们不知道舞池内发生了什么，"Yefsah说。"我们的方法就像带着广角相机走进舞池。现在我们可以看到舞者如何配对并彼此照应，免得撞上。"
张与他在CCQ的前博士后研究员、中国西北大学现代物理研究所的何元耀一起验证了这些结果。他们用量子力学做了数值模拟，精确地复制了同一个系统。模拟结果和实验数据对得上，还揭示了BCS理论没提到的细节，比如配对“舞者”之间隔了多远。
这对未来超导体有何意义
这些发现让科学家对超导体、还有那些由费米子构成的量子材料，有了更深的认识。基础物理的这类进步，对于造出革命性的更高温超导体非常关键。
上世纪80年代，科学家在做金属合金实验时发现了一类新型高温超导体，它们在液氮温度（零下196摄氏度，相当于零下321华氏度）附近就能超导。科学家还没搞明白，这些合金为啥能在这么高的温度下实现超导。不过随着对超导的深入了解，科学家希望造出能在日常温度下工作的超导体，那样电网和超级计算机的效率就能大幅提升。
张说：“搞懂了这个简单的例子，我们就能调好工具去研究更复杂的系统。而更复杂的系统里，我们才能找到新的物质相——过去正是这些新物质相推动了好多技术突破。”
更多信息： 匿名作者, 强相互作用费米气体中空间电荷与自旋关联的观测, 物理评论快报 (2026). DOI: 10.1103/2t2k-3ftx
Simons基金会提供
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
