超導體材料中電子的高度自旋，為超導領域開闢了新的可能性

YPtBi晶體配合物中的未成對電子形成高自旋對，使該材料具有超導性。來源：Emily Edwards（美國馬里蘭大學）

當你接通電源或者按下電燈開關的一瞬間，導線中便會立即產生電流，我們將正電荷定向移動的方向規定為電流的方向，導線中自由電子移動方向和電流方向完全相反。電子定向運動形成電流， 「電流的速度」即「電場傳播速度」正常情況下等於光速，而電子運動速度相對較慢。電子在傳導的過程中，容易和原子發生碰撞，釋放能量。

電子移動速度取決於材料的導電性。環境可以影響電導率，如：當某些材料溫度降低到超低溫時，材料電阻會突然減小到零，電子有序無阻地流動且該過程不發生能量損耗。這就是超導現象。

來自馬里蘭大學（UMD）物理系的一組研究人員與其團隊，發現了一種依賴於電子間相互作用的超導電性。雖然這有可能存在於其它非物質系統（物理中非物質概念：本身不具有任何物質性如時間、空間），但仍很難解釋電子的這一相互作用。2018年4月6日，該小組在《Science Advances》雜誌上發表了該成果，揭示了不同於以往的超導性。

超導體中的電子相互作用是由自旋的量子性質決定的。在一個普通的超導體，電子的自旋量子數是?，電子成對關聯，電流無阻流動。這一理論被廣泛應用在大多數超導體中。在這項新的研究中，團隊發現超導材料YPtBi中的電子自旋量子數為3?2。

「從來沒有人認為，在固體材料中電子會以這種方式自旋，」 馬里蘭大學物理教授兼本研究主要作者Johnpierre Paglione解釋說，「單個原子保持高自旋態是可能的，但是一旦你將原子放入固體中，這一狀態便會改變——原子自旋狀態變為1?2。」

最初，發現YPtBi是一個超導體時讓研究者感到詫異。大多數性能優良的超導體中存在很多能自由移動的電子，而YPtBi晶體卻很少有自由移動的電子。根據傳統理論，YPtBi大約需要1000倍的移動電子才能在低於0.8開爾文的溫度下成為超導體。而在實驗中，當材料溫度降低到0.8開爾文時，研究小組卻發現材料存在超導現象。

在發現超導體反常的轉變後，研究人員測量並探索了電子配對情況。他們研究了超導體的一個特徵，即電子與磁場的相互作用。當材料過渡到超導態時，材料從內部釋放磁場，以排斥外部施加磁場，但排斥作用不能完全抵消外部磁場。外部磁場仍能通過材料表面進入材料內部，隨後迅速衰減。外部磁場衰減快慢取決於電子對的性質和材料的冷卻溫度。

為了探討這種影響因素，在不同的溫度下，研究者將材料放在比地球磁場弱十分之一的磁場中。圍繞著樣品的銅線圈檢測到了超導體的磁性，使研究小組能夠靈敏地測量出超導中磁場的變化。

測量結果顯示出一種不同以往的磁干擾現象。YPtBi材料在絕對零度（約為-273.15度）下，磁通量穿透度呈線性增長趨勢，而不是像傳統超導體那樣呈指數增長。結合其它測量手段和理論計算，該作用限制了電子的成對方式。研究人員認為YPtBi材料超導電性的最合理的解釋是電子可能轉變成了高自旋狀態。而這種可能性在傳統的超導材料導電理論框架中甚至從未提過。

這種高自旋超導體的發現為這一研究領域提供了新的方向。「過去，我們研究超導體一直受到電子的自旋量子數是?的理論限制，」 Hyunsoo Kim作為文章的第一作者和馬里蘭大學該領域的專家說，「但是如果我們考慮更高的自旋，那麼超導研究的範圍就會擴大，研究也會變得更加有趣。」

目前，許多後續問題仍然需要解決，包括這種配對首先可能發生的情況。「比如當電子高自旋配對時，是什麼讓兩個電子連在一起？」Paglione說。「雖然現在有了一些想法，但一些根本性的問題仍然需要解決，需要人們更深入地討論，這也許就是科學的魅力所在吧。」

文章來自phys，原文題目A different spin on superconductivity—Unusual particle interactions open up new possibilities in exotic materials，由材料科技在線團隊整理編輯。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！