在超導體內部發現的「惡魔」粒子可能有助于解開物理學的圣杯

2023/11/14

超導體是一種能夠在極低的溫度下無電阻傳導電流的材料，它有著廣泛的應用前景，比如磁懸浮列車、核聚變反應堆等。但是，超導體的工作原理一直是物理學的一個難題，尤其是如何實現室溫超導性。近日，一項新的研究在超導體內部發現了一種神秘的「惡魔」粒子，它可能揭示了超導性的奧秘，也為尋找室溫超導體提供了新的線索。

科學家在首次預測超導體近70年后，今日在超導體內部觀察到了一種難以捉摸的「惡魔」粒子——派恩斯惡魔，它的發現可能有助于解開超導體如何工作的謎團。

派恩斯惡魔是一種透明、無電荷的粒子，在超導體釕酸鍶樣品中發現。它是一種等離子體激元——一種橫跨等離子體電子的漣漪，其行為很像粒子——這意味著它是一個準粒子。

理論家認為等離子體可能有助于材料的超導性。如果物理學家能夠找到方法，他們就可以利用派恩斯的惡魔來揭示室溫超導體——這是物理學的「圣杯」之一，可以實現近乎無損的電力傳輸。「惡魔在理論上已經推測了很長時間，但實驗主義者從未研究過它們，」伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校物理學教授彼得·阿巴蒙特在一份聲明中說。「事實上，我們甚至沒有在尋找它。但事實證明，我們做的是完全正確的事情，我們找到了。

大衛·派恩斯在1956年首次構思了他的惡魔，他預測當兩組不同能帶的電子形成兩個等離子體時，它會在某些金屬中出現。如果這些等離子體彼此異相，使得一個等離子體的峰值與另一個等離子體的谷值對齊，它們可能會部分抵消。

通常，在整個材料上形成一個等離子體需要非常特定的溫度，但派恩斯認為，他的新組合等離子體是無質量的，中性的，并且從能量混合物中獲取其成分，可以在室溫下存在。他將他的理論粒子命名為惡魔，該粒子具有「獨特的電子運動」。但它缺乏質量和電荷，因此很難找到。

為了獵殺惡魔，這項研究的團隊利用一種稱為譜函數映射的技術，向一種超導體材料——釕酸鍶發射電子，并測量它們的能量和動量。他們發現，在釕酸鍶的超導態中，潛伏在釕酸鍶內部的準粒子與對沒有質量的電子模式的預測相符。后續實驗復制了研究人員最初的發現，最終他們發現了派恩斯的惡魔。這是首次在超導體中觀測到派恩斯惡魔，也是首次證實了它與超導性的關聯。

「起初，我們不知道它是什麼。惡魔不在主流中。這種可能性很早就出現了，我們基本上一笑置之，「現在是量子技術公司Quantinuum的物理學家在聲明中說。「但是，當我們開始排除事情時，我們開始懷疑我們真的找到了惡魔。

派恩斯惡魔的發現可能有助于理解超導性的本質，以及如何提高超導體的臨界溫度。目前，物理學家普遍認為，當量子尺度的聲波（稱為聲子）將電子擺動成一對稱為庫珀對時，就會出現超導性，從根本上將其行為改變為超流體的行為。超導性是由電子之間的相互作用導致的，其中一種重要的機制是聲子——晶格振動的量子化表現。聲子可以將電子成對結合，形成庫珀對，從而使電子在超導體中無阻礙地流動。但是，聲子機制并不能完全解釋所有的超導現象，尤其是高溫超導體的行為。

因此，物理學家一直在尋找其他可能的機制，比如等離子體激元。等離子體激元是一種由電子在金屬中形成的波動，它也可以影響電子之間的相互作用。派恩斯惡魔就是一種特殊的等離子體激元，它是由兩種不同能帶的電子形成的等離子體波的疊加，它們的峰值和谷值相互抵消，使得派恩斯惡魔沒有質量和電荷，也沒有溫度限制。派恩斯惡魔可能有助于將電子推到一起，從而增強超導性，甚至實現室溫超導性。