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LK-99 失败,“恶魔”粒子来了,这种粒子为真正的超导体带来希望

SF中文 2023/8/26 17:03:09 责编:梦泽

本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF

(图片来源:Mai-Linh Doan)

从今年 3 月美国科学家声称发现室温超导材料,到近期韩国科学家提出的常温常压超导材料 LK-99,很多人可能会觉得超导的时代就要来了。不过,现实给我们泼了一盆冷水。美国科学家的发现至今没有其他研究团队能够重复,而 LK-99 也被其他科学家证明并不是超导体。关于超导,一次又一次的挫折让我们觉得,要实现超导真是太困难了,但是最近的一项新发现,又为科学家找寻真正的超导体带来了希望。这就是“恶魔”粒子。

文 | 梅林

“恶魔”粒子,这个带有科幻色彩的名字,让人感觉它应该是漫威漫画中的一件神奇道具。其实,它确实是存在于科学领域中的一种粒子。那我们就先来认识一下这种神奇粒子。

什么是“恶魔”粒子?

“恶魔”粒子实际是一种等离子体激元。当能量足够的时候,电子会从原子中“飘浮”出来。这些获得自由的电子也能表现出普通等离子体的运动特征,也被看作等离子体。普通的等离子体由于所带的正负电荷大体相等,因此是准中性的。而这些由自由电子组成的等离子体只带有负电荷,它们被称作非中性等离子体。

等离子体是宇宙中最常见的物质形态,大部分存在于稀薄的星系际空间和恒星中。在地球上,我们也常见到等离子体,比如闪电。发生闪电时,强大的电流击穿空气,使之成为了等离子体。(图片来源:United States Air Force)

那么简单来说,等离子体激元就是等离子体内的集体振动,它的行为就像一个粒子。1956 年,美国物理学家大卫・派因斯(David Pines)提出了一个预测,他认为在固体金属中,存在由两种不同能量的等离子体以不同频率振荡产生的等离子体激元,这两种等离子体激元合并成了一个粒子,它具有多种特性,比如无质量、对光不可见、电中性、行为表现类似声音等。这种粒子就是“恶魔”粒子。之所以起名叫恶魔,是因为派因斯觉得这些特征出现在固体金属中太异常了。

因为“恶魔”粒子的行为如此诡异,再加上几十年来科学家一直没有通过实验观察到真正的“恶魔”粒子,因此很多人都怀疑派因斯的预测是错误的。不过,最新的研究告诉我们,事情并没有那么简单。

首次发现“恶魔”粒子

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家彼得・阿巴蒙特(Peter Abbamonte)带领的研究团队,首次在钌酸锶这一超导晶体内发现了“恶魔”粒子。这一研究发表于 2023 年 8 月 9 日的《自然》(Nature)中。

在研究中,科学家将电子从晶体上弹开,并以极高的精度测量了晶体获得或损失的能量,然后经过一系列研究,发现他们的结果与派因斯的预测非常吻合。

通过微观计算,科学家描绘了钌酸锶的电子结构特征,发现了一个由两个电子能带组成的粒子 —— 以几乎相等的振幅异相振荡 —— 这与派因斯的描述相符。经过进一步的测量、计算和分析,科学界又证明了粒子的电中性和声学特征。基于这些特征,科学家确定他们观察到的就是派因斯预测的“恶魔”粒子。

前面我们提到,“恶魔”粒子为科学家找寻真正的超导体带来希望。这又是为什么呢?这要先从超导是如何产生的说起。根据 BCS 理论(Bardeen–Cooper–Schrieffer theory,以三位发现者名字的首字母命名),金属中的一些电子能互相配对,形成库伦对,库伦对在金属中无损耗的自由移动就形成了超导电流。而苏联理论物理学家尼科莱・勃格留波夫(Nikolay Bogolyubov)认为,构成库伦对的电子需要通过声子进行相互作用才能配对。也有科学家认为,配对的电子是通过“恶魔”粒子进行相互作用才形成库伦对,进而形成超导电流的。

由此可见,“恶魔”粒子对于科学家揭示超导的成因至关重要,同时观察到“恶魔”粒子的迹象也成了金属可能成为超导体的一个判定因素。

<完>

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关键词:超导体

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