我們知道，電子在材料內的傳播過程中會與原子發生碰撞，其受阻程度決定了材料導電性的強弱。當外在環境發生變化時，材料內在的導電性也隨之變化。在有些情況下，這種影響是巨大的，例如當某些材料被冷卻到接近絕對零度時，電子就會聚集起來毫不受阻地流動，這種現象被稱為
超導現象。超導具有讓世界發生革命性轉變的巨大潛力，它可以讓電子設備獲得無法想象的高效率。科學家在很多材料中都發現了這一現象。並且超導效應已被投入許多關鍵的應用之中，例如被用於在核磁共振成像和磁懸浮列車中製造強磁場。可是一直以來，超導應用都面臨著一個棘手的難題，那就是超導現象需要昂貴且笨重的設備來維持超導體的低溫，因此關於超導的更廣泛應用都受到了限制。
最近，物理學家發現了一種新型的超導電性，為這一領域的研究增添了更多的可能性，相關的論文發表在了4月6日的《科學進展》上。
○ 自旋為3/2的庫珀對（藝術描繪）。| 圖片來源：Emily Edwards/University of Maryland
超導體中電子的相互作用取決於電子的一種量子性質——自旋。在常規超導體中，由於電子和材料的晶格的振動之間的相互作用，自旋為1/2的電子會配對形成所謂的“庫珀對”，從而產生超導電性。這些庫珀對是有著整數自旋（通常為0）的玻色子（自旋為整數的粒子被稱為玻色子），這意味著在非常低的溫度下它們可以凝聚成無電阻傳導電流的狀態。
而在這項新的研究中，物理學家發現了材料YPtBi的超導電性則是由自旋為3/2的準粒子形成的庫珀對產生的。這種非常規超導體是釔、鉑和鉍的合金，通常是一種拓撲半金屬。
在YPtBi合金中，電荷是由具有3/2自旋的準粒子攜帶的。這些準粒子源自於電子自旋與構成合金的原子的正電荷之間的相互作用。這是一種被稱為
自旋-軌道耦合的效應，而且在YPtBi中，這種效應表現得尤為強烈。結果是，結合了自旋和軌道角動量的3/2自旋態是最低的能態。當將這種材料被冷卻時，研究人員發現它的超導性出現在溫度低於0.8K的情況下。這一結果很令人意外，因為如果超導材料中具有的是常規庫珀對的話，那麼預期的臨界溫度值將比0.8K低出近1000倍。這就表明在YPtBi內部，正發生著某些異乎尋常的行為。
為了弄清楚究竟發生了什麼，新的研究將目光投向了材料與磁場相互作用的方式，以便準確瞭解材料內部發生的事情。超導體會排斥外部施加在材料表面的任何磁場，但這個過程並不完美，有些磁場會穿透材料表面並維持在材料較淺的深度上。測量這種穿透效應為理解超導的配對性質提供了重要信息。
研究人員使用銅線圈來檢測 YPtBi 在溫度變化時的磁性變化。於是發現了非常奇怪的結果：隨著材料的溫度從絕對零度開始升高，磁場能穿透材料的量呈線性增長，而不是在常規超導體中常見的指數增長。這表明，YPtBi的超導狀態和普通狀態之間的
能隙在空間中並非像在常規超導體中那樣——各向同性。這就排除了自旋為1/2的庫珀對，因此研究人員開始探索其他可能性。經過一系列調查後，他們發現除了由兩個自旋為3/2的準粒子（合併自旋為3）對配對的情況，合金中自旋為1/2與3/2自旋的所有其他配對都能產生等各向同性的間隙。
論文的作者 Johnpierre Paglione 解釋說：“之前，沒有人會真的認為這在固體材料中是可能的：單個原子中出現高自旋態是有可能的，但是一旦將這些原子放入固體中，這種高自旋態通常就會分裂，最終形成1/2自旋。鑑於這一系統電子結構的簡單性，出現這樣的情況真的是一個驚喜。”
○ 高自旋庫珀對配對：在常規的1/2自旋系統中，自旋-1/2和1/2之間可以用四種配對：1個自旋單態和3個自旋三重態。A描述了自旋單態庫珀對；B描述了自旋三重態庫珀對。在非常規的3/2自旋系統中，自旋−3/2、−1/2、1/2、3/2之間存在16種配對：1個自旋單態，3個自旋三重態，5個自旋五重態，和7個自旋七重態。| 圖片來源：[1]
研究人員說，這種材料尤為令人興奮的部分在於——產生超導電性的拓撲性質。自旋為3/2的準粒子是與強自旋-軌道耦合有關的拓撲結構導致的結果。 Paglione 說：“超導電性的形成本身可能就具有不平凡的拓撲結構。這是一個更微妙、更難以證明的事。”他補充道：“但基本上超導波函數的相位可能存在一個‘扭曲’，從而產生了一個不平凡的（手徵）拓撲結構。這具有深遠的意義，比如從超導凝聚態中馬約拉納費米子受到激發的可能性。” （自旋為半整數的粒子被稱為費米子）
其他材料中也可以存在自旋為3/2的超導電性，而且這種現象或許在技術和基礎層面具有應用價值。研究人員稱，如果這種超導體確實為拓撲結構，那麼它們或許就能構成容錯量子計算機的基礎。在基礎層面上，自旋為3/2的費米子為物理學家提供了非常豐富的可能配對設置範圍。目前，這一研究成果已引起了眾多其他物理學家們的極大興趣。
而其中一個重要的基本問題就是，自旋為3/2的費米子起初是如何配對成功的。是什麼讓這些庫珀對粘合在一起？物理學家對這些問題已經有了一些可能的猜想，但基本問題依然存在。這也使得這一切都更加令人著迷。
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