超导体材料中电子的高度自旋,为超导领域开辟了新的可能性
当你接通电源或者按下电灯开关的一瞬间,导线中便会立即产生电流,我们将正电荷定向移动的方向规定为电流的方向,导线中自由电子移动方向和电流方向完全相反。电子定向运动形成电流,“电流的速度”即“电场传播速度”正常情况下等于光速,而电子运动速度相对较慢。电子在传导的过程中,容易和原子发生碰撞,释放能量。
电子移动速度取决于材料的导电性。环境可以影响电导率,如:当某些材料温度降低到超低温时,材料电阻会突然减小到零,电子有序无阻地流动且该过程不发生能量损耗。这就是超导现象。
来自马里兰大学(UMD)物理系的一组研究人员与其团队,发现了一种依赖于电子间相互作用的超导电性。虽然这有可能存在于其它非物质系统(物理中非物质概念:本身不具有任何物质性如时间、空间),但仍很难解释电子的这一相互作用。2018年4月6日,该小组在《Science Advances》杂志上发表了该成果,揭示了不同于以往的超导性。
超导体中的电子相互作用是由自旋的量子性质决定的。在一个普通的超导体,电子的自旋量子数是½,电子成对关联,电流无阻流动。这一理论被广泛应用在大多数超导体中。在这项新的研究中,团队发现超导材料YPtBi中的电子自旋量子数为3⁄2。
“从来没有人认为,在固体材料中电子会以这种方式自旋,”马里兰大学物理教授兼本研究主要作者Johnpierre Paglione解释说,“单个原子保持高自旋态是可能的,但是一旦你将原子放入固体中,这一状态便会改变——原子自旋状态变为1⁄2。”
最初,发现YPtBi是一个超导体时让研究者感到诧异。大多数性能优良的超导体中存在很多能自由移动的电子,而YPtBi晶体却很少有自由移动的电子。根据传统理论,YPtBi大约需要1000倍的移动电子才能在低于0.8开尔文的温度下成为超导体。而在实验中,当材料温度降低到0.8开尔文时,研究小组却发现材料存在超导现象。
在发现超导体反常的转变后,研究人员测量并探索了电子配对情况。他们研究了超导体的一个特征,即电子与磁场的相互作用。当材料过渡到超导态时,材料从内部释放磁场,以排斥外部施加磁场,但排斥作用不能完全抵消外部磁场。外部磁场仍能通过材料表面进入材料内部,随后迅速衰减。外部磁场衰减快慢取决于电子对的性质和材料的冷却温度。
为了探讨这种影响因素,在不同的温度下,研究者将材料放在比地球磁场弱十分之一的磁场中。围绕着样品的铜线圈检测到了超导体的磁性,使研究小组能够灵敏地测量出超导中磁场的变化。
测量结果显示出一种不同以往的磁干扰现象。YPtBi材料在绝对零度(约为 - 273.15度)下,磁通量穿透度呈线性增长趋势,而不是像传统超导体那样呈指数增长。结合其它测量手段和理论计算,该作用限制了电子的成对方式。研究人员认为YPtBi材料超导电性的最合理的解释是电子可能转变成了高自旋状态。而这种可能性在传统的超导材料导电理论框架中甚至从未提过。
这种高自旋超导体的发现为这一研究领域提供了新的方向。“过去,我们研究超导体一直受到电子的自旋量子数是½的理论限制,”Hyunsoo Kim作为文章的第一作者和马里兰大学该领域的专家说,“但是如果我们考虑更高的自旋,那么超导研究的范围就会扩大,研究也会变得更加有趣。”
目前,许多后续问题仍然需要解决,包括这种配对首先可能发生的情况。“比如当电子高自旋配对时,是什么让两个电子连在一起?”Paglione说。“虽然现在有了一些想法,但一些根本性的问题仍然需要解决,需要人们更深入地讨论,这也许就是科学的魅力所在吧。”