美首次觀察到超導體中重電子形成過程

某些超導體中，運動電子的性質(zhì)極為奇特。它們好像比真空中的自由電子重1000倍，但同時電子運動卻是毫無阻力的。最近，美國普林斯頓大學領導的一項最新研究顯示，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于“量子糾纏”的過程，該過程決定了晶體中運動電子的質(zhì)量。這一發(fā)現(xiàn)有助于人們理解超導性的成因，并有望在提高電網(wǎng)效率、加快計算速度等方面獲得應用。相關論文發(fā)表在近日出版的《自然》雜志上。

將電子冷卻到超低溫形成某種固體物質(zhì)時，這些極輕的粒子就會增加質(zhì)量，好像變成了重粒。把它們冷卻到接近絕對零度時，這種固體就有了超導性。其中的電子盡管很重，卻能毫無阻力地流動，不會浪費任何電能。

研究小組還包括洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）和加州大學歐文分校的科學家，他們利用專門設計的低溫掃描隧道顯微鏡（STM）拍攝晶體中的電子波。晶體經(jīng)過了處理，表面包含一些原子瑕疵。他們將溫度降低到實驗需要，觀察到了電子波紋，這些波紋圍繞著瑕疵之處擴散開來，就像在池塘里投入石頭散開的漣漪。

“這是首次獲得重電子形成的精確畫面。在降低溫度時，我們看到晶體中的運動電子演變成了更重的粒子。”領導該研究的普林斯頓大學物理學教授阿里·雅茲達尼說。他們通過直接拍攝的電子波圖像，不僅看到了電子質(zhì)量是怎樣增加的，還看到了重電子是由兩個糾纏電子構(gòu)成的復合體。

他們還把實驗觀察和理論計算數(shù)據(jù)進行了對比，解釋了電子為何會出現(xiàn)這種性質(zhì)。由于量子糾纏，電子糅合兩種截然相反的行為。在晶體中，重電子產(chǎn)生于兩個行為相反的電子的糾纏，其中一個被困住繞著一個原子，而另一個在各個原子之間自由地跳躍。

研究人員解釋說，量子力學原理控制著微小粒子的行為，形成了量子糾纏，這一過程決定了晶體中運動電子的質(zhì)量。輕微調(diào)整這種糾纏，就能極大地改變材料的性質(zhì)。而糾纏度是決定重電子形成和進一步冷卻時行為表現(xiàn)的關鍵。調(diào)整晶體的成分或結(jié)構(gòu)，就能調(diào)整糾纏度和電子重量。如果讓電子太重，它們就會被凍成磁化狀態(tài)，黏在每個原子旁邊，以相同的方向自旋。但如果只是輕微調(diào)整，讓電子獲得合適的糾纏數(shù)量，這些重電子就會在冷卻時變成超導體。“我們的研究證明了，只有當處在‘遲緩’和‘迅速’這兩種行為的邊界時，才能獲得超導性。這是最有利于產(chǎn)生重電子超導性的條件。”雅茲達尼說。

許多磁性材料在它們的成分或晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了微妙改變之后，變成了超導體。哈佛大學理論物理學家蘇伯·薩奇戴伍說，該實驗有助于揭開高溫超導的秘密，理解這種磁性和超導性之間的轉(zhuǎn)變，即量子臨界點，有助于解釋物質(zhì)為何會具有超導性。