科学家首次观察到超导体中重电子形成过程

据物理学家组织网近日报道，美国普林斯顿大学领导的一项最新研究显示，产生这种现象是由于“量子纠缠”的过程，该过程决定了晶体中运动电子的质量。这一发现有助于人们理解超导性的成因，并有望在提高电网效率、加快计算速度等方面获得应用。相关论文发表在近日出版的《自然》杂志上。

将电子冷却到超低温形成某种固体物质时，这些极轻的粒子就会增加质量，好像变成了重粒。把它们冷却到接近绝对零度时，这种固体就有了超导性。其中的电子尽管很重，却能毫无阻力地流动，不会浪费任何电能。

研究小组还包括洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）和加州大学欧文分校的科学家，他们利用专门设计的低温扫描隧道显微镜（STM）拍摄晶体中的电子波。晶体经过了处理，表面包含一些原子瑕疵。他们将温度降低到实验需要，观察到了电子波纹，这些波纹围绕着瑕疵之处扩散开来，就像在池塘里投入石头散开的涟漪。

“这是首次获得重电子形成的精确画面。在降低温度时，我们看到晶体中的运动电子演变成了更重的粒子。”领导该研究的普林斯顿大学物理学教授阿里·雅兹达尼说。他们通过直接拍摄的电子波图像，不仅看到了电子质量是怎样增加的，还看到了重电子是由两个纠缠电子构成的复合体。

他们还把实验观察和理论计算数据进行了对比，解释了电子为何会出现这种性质。由于量子纠缠，电子糅合两种截然相反的行为。在晶体中，重电子产生于两个行为相反的电子的纠缠，其中一个被困住绕着一个原子，而另一个在各个原子之间自由地跳跃。

研究人员解释说，量子力学原理控制着微小粒子的行为，形成了量子纠缠，这一过程决定了晶体中运动电子的质量。轻微调整这种纠缠，就能极大地改变材料的性质。而纠缠度是决定重电子形成和进一步冷却时行为表现的关键。调整晶体的成分或结构，就能调整纠缠度和电子重量。如果让电子太重，它们就会被冻成磁化状态，黏在每个原子旁边，以相同的方向自旋。但如果只是轻微调整，让电子获得合适的纠缠数量，这些重电子就会在冷却时变成超导体。“我们的研究证明了，只有当处在‘迟缓’和‘迅速’这两种行为的边界时，才能获得超导性。这是最有利于产生重电子超导性的条件。”雅兹达尼说。

许多磁性材料在它们的成分或晶体结构发生了微妙改变之后，变成了超导体。哈佛大学理论物理学家苏伯·萨奇戴伍说，该实验有助于揭开高温超导的秘密，理解这种磁性和超导性之间的转变，即量子临界点，有助于解释物质为何会具有超导性。