科學家發現新的物質狀態：庫珀對金屬
1.
庫珀對是一種神秘的量子現象。多年來，物理學家一直認為，這種能使超導體在零電阻的情況下導電的電子對，只有兩種表現：它們要麼非常活躍，行為就像是玻色子一樣，使材料形成超導態；要麼卡在材料內部無法移動半步，從而使材料成 為絕緣體。
在一篇刊登在《科學》雜誌的新論文中，一組物理學家團隊發現，庫珀對也可以像普通金屬那樣，在有一定電阻的情況下導電。這一發現描述了一種全新的物質狀態，需要新的理論才能加以解釋。
2.
過去曾有研究表明，當薄膜超導體在朝著它們的超導溫度冷卻時，就有可能出現金屬狀態，但這一過程是否涉及到庫珀對一直是個懸而未決的問題。為了檢驗這一問題，物理學家們在新的研究中開發了一種技術，使他們能夠確定在金屬狀態下，也是由庫珀對來負責傳輸電荷。然而目前並沒有人能真正從根本上確定這些庫珀對是如何做到這一點的，所以這一新的發現還需要更多的理論和實驗工作才能完善對它的理解。
熟悉超導體的讀者對「庫珀對」這個概念不會陌生，它是以物理學教授利昂·庫珀（Leon Cooper）的名字命名的。庫珀也因他描述了這些電子對在促進超導效應上所起到的作用而獲得了1972年的諾貝爾物理學獎。
當電子在物質的原子晶格中運動時，電阻就產生了。但是當兩個電子結合在一起形成一對庫珀對時，它們會經歷一個明顯的轉變。電子是一種費米子，也就是說它們是遵循泡利不相容原理的粒子，這意味著每個電子都傾向於維持自己的量子態。而庫珀對的行為像是玻色子，它們可以愉快地共享同一狀態。這種玻色子行為使得庫柏對能夠與其他庫柏對協調運動，從而將阻力降至為零。
2007年，兩名布朗大學的物理學教授一起證明了庫珀對除了能產生超導性之外，也可以產生絕緣態。在非常薄的材料中，它們不是一起移動，而是「合謀」一同待在原地，就像是被困在了材料中的島嶼之上，無法躍遷到另一個島嶼之上。
3.
在一項新的研究中，物理學家使用了與當初揭示了庫珀對絕緣體相似的技術，探尋了非超導的金屬狀態下的庫珀對的性質。這項技術需要在薄膜超導體上刻印上一排排微孔陣列。在實驗中，他們選擇的薄膜超導材料是釔鋇銅氧（YBCO）。當這種材料被暴露在磁場中，並有電流通過時，材料中的載流子（電荷載體）就會繞著這些微孔環繞，就像水在排水管口盤旋一樣。
○ 在高溫超導材料上印刻的小孔，揭示出能使超導性成為可能的庫珀對也能使材料像金屬那樣導電。| 圖片來源：Valles lab / Brown University
如此一來，研究人員就測量電荷繞著微孔循環的頻率。他們發現循環的頻率與在微孔周圍有兩個電子環繞的情況相符，而不是只有一個電子環繞的情況。因此他們得出結論，這種狀態下的載流子依舊是庫珀對，而不是單電子。也就是說，與為這種薄膜超導的金屬態有關的，是有著玻色子行為的庫珀對。
這一結論令物理學家大感意外，因為根據量子理論來看，這應該是不可能的。因此，在進一步理解在這種狀態下究竟發生了什麼的過程中，很有可能會產生一些令人眼前一亮的新物理學。
而且更值得高興的是，這種現象在是在高溫超導體中被檢測到的，因此它對未來的研究來說更具有實際應用價值。YBCO會在93K（-181℃）左右開始具有超導性，它的金屬相的溫度則在略高於這一溫度下開始。對我們來說，這的確一個非常寒冷的溫度，但它比其他超導體的超導溫度要高得多，許多超導體只在略高於絕對零度的溫度上表現出超導性。YBCO的高溫超導性使得物理學家在對它進行研究時可以採用更多其他技術，使得研究它的金屬相變得更加容易。
4.
目前，研究人員只是很高興他們發現了一種新的物質狀態。但在未來，科學家或許可以利用這種玻色子金屬態來製造新型的電子設備。因為與電子相比，玻色子更傾向於表現出波的狀態，所以它們具有相位，會像光一樣會產生干涉，從而可能創造出新的模式。因此，科學家可以通過操縱玻色子之間的干涉來移動設備中的電荷。
這些新的發現總能為科學帶來新的希望。
參考來源：
https://www.brown.edu/news/2019-11-14/cooperpair
