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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。

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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。

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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。

為了驗證這一假設,物理學家需要在其他超導體中尋找派恩斯惡魔的存在,以及它們與超導性的關系。如果能夠找到一種方法,利用派恩斯惡魔來創造和控制超導性,那麼物理學的「圣杯」——室溫超導體——就有可能實現。這將為電力傳輸、計算機、醫療等領域帶來革命性的變化。

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