我們許多人都知道，能量體現為為某一個物理系統對其他的物理系統做功的能力。在能量產生和傳輸過程中總是會損失能量。比如每年在電力傳輸、發動機運轉和機械設備中都會損失無數的能量。因此，科學家們歷來都在渴望與尋求，如何以最小的損失來產生和移動能量，或找到更有效的替代方法，尤其是在當代對於人類生態環境具有非常重要的意義。
現在，芝加哥大學的三位科學家通過理論計算，找到一種方法可以製造出能以100％的效率同時傳導電力和能量的材料，而不會因熱量或摩擦而損失任何能量。該突破性研究刊登在最近的《物理評論》上。
在此研究中，科學家們提出了一種全新的物質框架來達到這一目標。他們是如何提出這一全新物質框架的呢？這一全新物質框架是什麼呢？
我們已經知道，超導體是一種可以永久導電，幾乎零損耗的材料，對超導體的認知已經有一個多世紀的歷史了。但是直到最近幾年，科學家們才設法在實驗室中製造出一種類似的材料，該材料可以幾乎零損耗地傳導能量，稱為激子凝聚物（excitoncondensate）。
激子是固體中的一種基本的元激發，是在半導體和絕緣體中形成。凝聚態，指由大量粒子組成並且粒子間有很強相互作用的系統。
超導體和激子凝聚物都是難以製造和保持運轉的棘手材料，部分原因是科學家們目前並不完全瞭解它們的工作原理，而且其背後的理論還不完善。但是，確實知道，超導體和激子凝聚物這兩者都涉及到量子物理的作用。
所以，研究人員大膽猜想，可否將超導態和激子冷凝態這兩種不同狀態用在同一種材料上。該研究小組是專門研究通過計算來探索材料和化學物質的特性和結構的，因此，他們開始將不同的組合，模擬到計算機模型中。他們仔細研究了許多可能性，令他們驚訝的是，在某一區域中確實發現了這兩個狀態可以同時地存在。
研究發現，這兩種狀態之所以可以同時存在，是因為在正確的配置下這兩種狀態實際上是糾纏在一起的，這是一種量子現象，使得其中系統變得無形地連接在一起。
在此以前，業界普遍認為，這兩種狀態是獨立存在、兩者無關的。這一研究成果挑戰了這一傳統基本觀念，從而將開闢一個激子和費米子對的雙凝聚物的新領域。
通過利用先進的數學方法，研究團隊證明了，由於量子糾纏，理論上即使在人眼可見的宏觀尺寸下，這種雙凝聚物也應存在。這意味著這種雙凝聚物可以實現新型的材料，例如雙層超導體。目前科學家們正在與實驗小組合作，以探查是否可以在真實材料中實現理論預測。
如此將超導性和激子冷凝物結合在一起全新的物質框架理論，將可以製造出能以100％的效率同時傳導電力和能量的材料，而不會因熱量或摩擦而損失任何能量。研究人員表示：“能夠將超導性和激子冷凝物結合在一起，這將對於電子、自旋電子學、量子計算等許多應用領域而言，都將是驚人的。”
參考：LeeAnn M. Sager et al, Potential coexistence of exciton and fermion-pair condensations, Physical Review B (2020).
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