我们知道，电子在材料内的传播过程中会与原子发生碰撞，其受阻程度决定了材料导电性的强弱。当外在环境发生变化时，材料内在的导电性也随之变化。在有些情况下，这种影响是巨大的，例如当某些材料被冷却到接近绝对零度时，电子就会聚集起来毫不受阻地流动，这种现象被称为
超导现象。超导具有让世界发生革命性转变的巨大潜力，它可以让电子设备获得无法想象的高效率。科学家在很多材料中都发现了这一现象。并且超导效应已被投入许多关键的应用之中，例如被用于在核磁共振成像和磁悬浮列车中制造强磁场。可是一直以来，超导应用都面临着一个棘手的难题，那就是超导现象需要昂贵且笨重的设备来维持超导体的低温，因此关于超导的更广泛应用都受到了限制。
最近，物理学家发现了一种新型的超导电性，为这一领域的研究增添了更多的可能性，相关的论文发表在了4月6日的《科学进展》上。
○ 自旋为3/2的库珀对（艺术描绘）。| 图片来源：Emily Edwards/University of Maryland
超导体中电子的相互作用取决于电子的一种量子性质——自旋。在常规超导体中，由于电子和材料的晶格的振动之间的相互作用，自旋为1/2的电子会配对形成所谓的“库珀对”，从而产生超导电性。这些库珀对是有着整数自旋（通常为0）的玻色子（自旋为整数的粒子被称为玻色子），这意味着在非常低的温度下它们可以凝聚成无电阻传导电流的状态。
而在这项新的研究中，物理学家发现了材料YPtBi的超导电性则是由自旋为3/2的准粒子形成的库珀对产生的。这种非常规超导体是钇、铂和铋的合金，通常是一种拓扑半金属。
在YPtBi合金中，电荷是由具有3/2自旋的准粒子携带的。这些准粒子源自于电子自旋与构成合金的原子的正电荷之间的相互作用。这是一种被称为
自旋-轨道耦合的效应，而且在YPtBi中，这种效应表现得尤为强烈。结果是，结合了自旋和轨道角动量的3/2自旋态是最低的能态。当将这种材料被冷却时，研究人员发现它的超导性出现在温度低于0.8K的情况下。这一结果很令人意外，因为如果超导材料中具有的是常规库珀对的话，那么预期的临界温度值将比0.8K低出近1000倍。这就表明在YPtBi内部，正发生着某些异乎寻常的行为。
为了弄清楚究竟发生了什么，新的研究将目光投向了材料与磁场相互作用的方式，以便准确了解材料内部发生的事情。超导体会排斥外部施加在材料表面的任何磁场，但这个过程并不完美，有些磁场会穿透材料表面并维持在材料较浅的深度上。测量这种穿透效应为理解超导的配对性质提供了重要信息。
研究人员使用铜线圈来检测 YPtBi 在温度变化时的磁性变化。于是发现了非常奇怪的结果：随着材料的温度从绝对零度开始升高，磁场能穿透材料的量呈线性增长，而不是在常规超导体中常见的指数增长。这表明，YPtBi的超导状态和普通状态之间的
能隙在空间中并非像在常规超导体中那样——各向同性。这就排除了自旋为1/2的库珀对，因此研究人员开始探索其他可能性。经过一系列调查后，他们发现除了由两个自旋为3/2的准粒子（合并自旋为3）对配对的情况，合金中自旋为1/2与3/2自旋的所有其他配对都能产生等各向同性的间隙。
论文的作者 Johnpierre Paglione 解释说：“之前，没有人会真的认为这在固体材料中是可能的：单个原子中出现高自旋态是有可能的，但是一旦将这些原子放入固体中，这种高自旋态通常就会分裂，最终形成1/2自旋。鉴于这一系统电子结构的简单性，出现这样的情况真的是一个惊喜。”
○ 高自旋库珀对配对：在常规的1/2自旋系统中，自旋-1/2和1/2之间可以用四种配对：1个自旋单态和3个自旋三重态。A描述了自旋单态库珀对；B描述了自旋三重态库珀对。在非常规的3/2自旋系统中，自旋−3/2、−1/2、1/2、3/2之间存在16种配对：1个自旋单态，3个自旋三重态，5个自旋五重态，和7个自旋七重态。| 图片来源：[1]
研究人员说，这种材料尤为令人兴奋的部分在于——产生超导电性的拓扑性质。自旋为3/2的准粒子是与强自旋-轨道耦合有关的拓扑结构导致的结果。 Paglione 说：“超导电性的形成本身可能就具有不平凡的拓扑结构。这是一个更微妙、更难以证明的事。”他补充道：“但基本上超导波函数的相位可能存在一个‘扭曲’，从而产生了一个不平凡的（手征）拓扑结构。这具有深远的意义，比如从超导凝聚态中马约拉纳费米子受到激发的可能性。” （自旋为半整数的粒子被称为费米子）
其他材料中也可以存在自旋为3/2的超导电性，而且这种现象或许在技术和基础层面具有应用价值。研究人员称，如果这种超导体确实为拓扑结构，那么它们或许就能构成容错量子计算机的基础。在基础层面上，自旋为3/2的费米子为物理学家提供了非常丰富的可能配对设置范围。目前，这一研究成果已引起了众多其他物理学家们的极大兴趣。
而其中一个重要的基本问题就是，自旋为3/2的费米子起初是如何配对成功的。是什么让这些库珀对粘合在一起？物理学家对这些问题已经有了一些可能的猜想，但基本问题依然存在。这也使得这一切都更加令人着迷。
閱讀更多 原理 的文章
