高溫超導(dǎo)性潛力巨大的奇異金屬

科學(xué)家已經(jīng)非常了解溫度會如何影響銅或銀等大多數(shù)日常金屬的導(dǎo)電性。但近年來，研究人員已經(jīng)將注意力轉(zhuǎn)向了一類似乎不遵循傳統(tǒng)電學(xué)規(guī)則的材料，也就是所謂的奇異金屬。

在一項發(fā)表于《自然》雜志的研究中，研究團(tuán)隊在一種材料中發(fā)現(xiàn)了奇異金屬行為，這種材料中的電荷不是由電子攜帶的，而是由兩個電子結(jié)合而成的庫珀對所攜帶。這是科學(xué)家首次在玻色子體系中看到奇異金屬的行為。

玻色子和費米子

1952年，諾貝爾獎得主利昂·庫珀（Leon Cooper）發(fā)現(xiàn)，在正常的超導(dǎo)體（而不是之后發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體）中，電子會聯(lián)合起來形成庫珀對，它們可以毫無阻力地在原子晶格中滑行。

雖然電子屬于一類被稱為費米子的粒子，但庫珀對卻是以玻色子的方式行事，遵循著與費米子截然不同的規(guī)則。玻色子和費米子的體系通常表現(xiàn)得非常不同。

費米子遵循泡利不相容原理，也就是說，在費米子組成的系統(tǒng)中，兩個或兩個以上的費米子不能占據(jù)相同的量子態(tài)。

費米子與玻色子的主要區(qū)別

但是，玻色子卻沒有這樣的限制。因此，玻色子被允許共享相同的量子態(tài)，這也意味著，它們可以像水分子在波紋中那樣集體移動。

奇異金屬

奇異金屬行為是在約30年前一類叫作銅氧化物的材料中發(fā)現(xiàn)的。這些銅氧化物材料因為是高溫超導(dǎo)體而為人所知，也就是說，它們可以在遠(yuǎn)高于普通超導(dǎo)體的溫度下以零電阻導(dǎo)電。但是，即使在高于超導(dǎo)臨界溫度的溫度下，與其他金屬相比，銅氧化物的行為也很奇怪。

隨著溫度升高，銅氧化物的電阻會以嚴(yán)格的線性方式增加。在正常的金屬中，電阻只增加到一定程度，而在高溫下變得恒定，這與所謂的費米液體理論一致。

當(dāng)在金屬中流動的電子撞上金屬的振動原子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致它們散開時，電阻就會產(chǎn)生。費米液體理論為電子散射的發(fā)生設(shè)定了一個最大速率。但奇異金屬并不遵循這種費米液體規(guī)則，而且還沒有人能確定它們是如何運作的。

科學(xué)家知道的是，奇異金屬中的溫度與電阻的關(guān)系似乎與自然界的兩個基本常數(shù)有關(guān)，分別是玻爾茲曼常數(shù)（它代表隨機(jī)熱運動產(chǎn)生的能量），以及普朗克常數(shù)（它與光子的能量有關(guān)）。

為了理解在這些奇異金屬中發(fā)生的事情，人們已經(jīng)應(yīng)用了類似于用來理解黑洞的數(shù)學(xué)方法。換句話說，在這些材料中一定發(fā)生了一些關(guān)于非?；镜奈锢韺W(xué)的事情。

玻色子奇異金屬

2019年，科學(xué)家已經(jīng)證實，庫珀對玻色子可以產(chǎn)生金屬行為，也就是說，它們能以一定的阻力導(dǎo)電。研究人員認(rèn)為這本身就是一個驚人的發(fā)現(xiàn)，因為量子理論的要素表明，這種現(xiàn)象應(yīng)該是不可能的。

納米圖案化的YBCO薄膜的掃描電子顯微鏡圖像

在這項最新的研究中，團(tuán)隊想了解玻色子庫珀對金屬是否也是奇異金屬。他們使用了一種叫作釔鋇銅氧（YBCO）的銅氧化物材料，這種材料上有誘導(dǎo)庫珀對金屬態(tài)的空穴。

他們將材料冷卻到略高于其超導(dǎo)溫度的狀態(tài)，觀察它的電導(dǎo)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與費米子奇異金屬一樣，庫珀對金屬的電導(dǎo)與溫度呈線性關(guān)系。

基本的理論見解

對理論學(xué)家來說，為奇異金屬中觀察到的行為找到理論解釋一直是一項挑戰(zhàn)。而這項發(fā)現(xiàn)表明，如果要模擬奇異金屬中的電荷傳輸，這個型必須同時適用于費米子和玻色子，盡管這些類型的粒子遵循根本上不同的規(guī)則。

奇異金屬行為很有可能是理解高溫超導(dǎo)性的關(guān)鍵，而高溫超導(dǎo)性已經(jīng)在許多方面表現(xiàn)出了巨大潛力。而且，奇異金屬行為似乎也與一些基本常數(shù)有關(guān)，了解它們的行為或許也能揭示出更多物理世界的基本原理。