來自三大洲的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)，剛剛報(bào)告了首個(gè)能夠解釋迄今最薄超導(dǎo)體背后不尋常電子行為的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 得益于極其高效的導(dǎo)電特性，這種只有單原子層厚度的材料，有望在無數(shù)場景下得到廣泛的應(yīng)用，比如帶來更好的醫(yī)學(xué)診斷等。

這項(xiàng)由麻省理工學(xué)院和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家領(lǐng)銜的開創(chuàng)性工作，主要?dú)w功于全球范圍內(nèi)也屈指可數(shù)的新設(shè)施和新儀器。

由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，有助于指導(dǎo)更好的超導(dǎo)體開發(fā)，反之又可推動(dòng)醫(yī)學(xué)診斷、量子計(jì)算、能量傳輸?shù)阮I(lǐng)域的發(fā)展。

這項(xiàng)工作的主題，旨在研究一類激動(dòng)人心的超導(dǎo)體。因其超導(dǎo)特性的溫度較傳統(tǒng)材料(約 10 開爾文 / -442 ℉ / -263℃)高了一個(gè)數(shù)量級，使之更有望在現(xiàn)實(shí)中投入使用。

不過當(dāng)前面臨的主要問題是，這類高溫超導(dǎo)體的行為，仍然沒有被物理學(xué)家完全理解。MIT 助理教授 Riccardo Comin 表示：“它們的微觀激發(fā)和動(dòng)力學(xué)，對于超導(dǎo)特性的理解至關(guān)重要”。

經(jīng)過 30 年的研究，許多問題仍然懸而未決。不過 2015 年的時(shí)候，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新型高溫超導(dǎo)體，它就是能夠在 65 開爾文環(huán)境下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)、只有單原子厚度的 硒化鐵片。

但是塊頭大得多的相同材料，必須在低至 8 開爾文的溫度下，才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。MIT 材料研究實(shí)驗(yàn)室的 Comin 表示，這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了全球科學(xué)家想要破譯迄今最薄超導(dǎo)體秘密的研究熱潮。

研究發(fā)現(xiàn)：在普通金屬中，電子的行為就像一個(gè)人在房間里跳舞一樣。而在超導(dǎo)金屬中，電子會(huì)像舞伴一樣成對移動(dòng)，好像它們就是量子編舞的一部分，最終形成了一種電子超流體。

然而將這些電子對結(jié)合到一起的相互作用，又是哪種神秘的“膠水”呢?Comin 指出：科學(xué)家們已經(jīng)知道，傳統(tǒng)超導(dǎo)體中的“膠水”，源于材料內(nèi)原子的運(yùn)動(dòng)。

然而在納米尺度上，其實(shí)發(fā)生了很多的事情。在這種材料的內(nèi)部，電子會(huì)向著所有可能的方向飛來飛去，原子發(fā)出了“嘎嘎”的振動(dòng)聲。不過在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，電子卻是借助存儲(chǔ)在原子運(yùn)動(dòng)中的能量來配對的。

高溫超導(dǎo)體中電子配對背后的“膠水”，與之有著明顯的不同。在一種假設(shè)中，科學(xué)家們認(rèn)為它與被稱作“自旋”的電子特性有關(guān)(另一個(gè)我們更加熟悉的特性，就是它們的電荷)。

Pelliciari 表示，自旋可被視作一塊最基礎(chǔ)的磁鐵。在有關(guān)高溫超導(dǎo)體的假設(shè)中，電子能夠從從自旋中獲取一些激發(fā)能量，而這也是其用于配對的“粘合劑”。

此前，大多數(shù)物理學(xué)家都認(rèn)為無法檢測、或測量只有但原子層厚度材料的自旋激發(fā)，而這也是新研究團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》期刊上所提到的非凡成就。

據(jù)悉，物理學(xué)家們不僅檢測到了自旋激發(fā)，還發(fā)現(xiàn)了超薄樣品中的自旋動(dòng)力學(xué)與大塊樣品中的情況截然不同。具體說來是，前者波動(dòng)自旋的能力，較后者高出了 4~5 倍。

Pelliciari 表示：“這是單原子厚度的材料中存在自旋激發(fā)的首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)”。感興趣的朋友，可翻閱 Nature Communications 上的《Evolution of spin excitations from bulk to monolayer FeSe》一文。

關(guān)鍵詞： 物理學(xué)家 超導(dǎo)體 實(shí)驗(yàn)證據(jù) 不尋常電子