解釋超導幾十年的經典理論，還缺了什么？

圖片來源：：Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

撰文 | 小雨

當一些材料的溫度降到某個臨界溫度以下時，一種使電子兩兩配對的量子效應，會使材料的電阻驟降為零——這種現象被稱為超導。這幅關于超導的基本物理圖景，是由物理學家巴丁（John Bardeen）、庫珀（Leon Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）于20世紀50年代提出的。

以三位提出者姓氏命名的巴丁-庫珀-施里弗（BCS）理論已經成功解釋了很大一類超導體，但它在本質上只是一個近似理論。BCS理論并不能描這些電子對彼此之間是如何相互作用的，而是假定電子對在超導體中是彼此獨立分布的；因此，在某一點附近找到一對電子的概率，并不會與附近是否存在其他電子對相關。

在一項新發(fā)表于《物理評論快報》的研究中，一個物理學家團隊直接觀測到了可模擬超導電子的冷原子體系中的空間關聯(lián)，為物理學家對超導本質的基礎理解補上了一個重要的新細節(jié)。

難以看清的電子世界

預測材料內部電子的集體行為，是一項極其艱巨的任務。經典粒子的多體問題本就已經非常難，而對于電子和其他費米子（一大類基本粒子，電子也屬于費米子）來說，“符號問題”會使情況雪上加霜：當兩個費米子交換位置時，它們的波函數會變號。這種反對稱性質導出了泡利不相容原理，也讓費米子多體體系的建模異常困難。

盡管如此，理論物理學家仍然成功發(fā)展出了一些簡化模型——BCS理論就是其中一個著名的例子。BCS理論簡潔地描繪了電子如何配對，而電子配對又進一步解釋了為什么某些材料中會出現超導。

過去的實驗觀測在很大程度上也都與BCS理論的預測一致，但要在材料中直接測量電子的行為，卻非常困難。近幾十年來，超冷原子已經成為研究費米子多體問題的一個強有力替代平臺。

“保持距離”的原子對

以鋰-6為代表的費米原子同位素，就能夠在實驗中用來構建相互作用的費米氣體。如此一來，物理學家就能利用費米氣體中的原子來模擬電子，并在可控條件下研究超導體中的物理學規(guī)律。

在新的研究中，研究人員就將由鋰原子構成的氣體混合物冷卻到僅比絕對零度高出幾十億分之幾攝氏度。他們借助一種新開發(fā)的成像方法，拍下了這些粒子對相對位置的“快照”。

成像結果顯示，已形成配對的原子的位置會受到其他原子對位置的影響。這些原子對會與其他原子對保持一定距離，就像舞廳里的一對對舞伴會與其他舞者保持間隔一樣。這一發(fā)現為我們理解這類體系補充了經典 BCS 理論未能涵蓋的一部分內容。

研究人員解釋道，BCS理論給的視角，就像是站在舞廳外面：我們能聽見音樂，也能看到舞者走出來，但并不知道舞廳里面究竟發(fā)生了什么。而新研究所使用的方法，就像是在舞廳里架起一臺廣角相機，讓物理學家終于能看到這些舞者是如何結成舞伴、又如何彼此互動、避免撞到對方的。

為了驗證這一結果，研究人員開展進一步的相關工作。他們利用量子力學進行了數值模擬，對同一體系進行了精確建模。他們的模擬所得的結果與實驗結果相吻合，并揭示出了BCS理論中缺失的那些細節(jié)，其中就包括這些“舞伴”之間為何會彼此保持距離。

在實驗中，被冷卻到極低溫度的鋰原子，進入了一種無摩擦的超流態(tài)，從而模擬超導體中的電子（由于費米都遵循相同的配對物理規(guī)律，因此這些原子可以作為研究超導體中電子行為的合適替身）。這些“電子”被困在一個六邊形光學晶格中，并在不同時間點被拍下它們位置的快照。正如預期的那樣，這些“電子”會與具有相反自旋的“電子”配成對。研究人員觀察到，這些“電子”的運動就像擁擠舞池中的舞者，會遵循一種“遠距離舞步”來盡量避免彼此碰撞。（圖/Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation）

拓展基礎理解

這項發(fā)現拓展了物理學家對超導體以及其他由費米子構成的量子材料的基礎理解。而這類基礎物理上的進展，對于開發(fā)可能改變整個技術格局的更高溫超導體至關重要。

20世紀80年代，科學家在研究金屬合金時發(fā)現了一類新的所謂高溫超導體。這類材料能在接近液氮溫度的條件下表現出超導性——盡管這個溫度仍然低達零下196攝氏度。科學家至今仍未弄清，這些合金為什么能在這樣相對較高的溫度下實現超導。但隨著對超導機制理解的不斷加深，研究人員希望最終能開發(fā)出能夠在日常環(huán)境溫度下工作的超導體；那將極大提升電網和超級計算機的效率。

參考來源

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

本文經授權轉載自微信公眾號“原理”。

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