重大突破：科学家发现4e和6e电荷的库伯对，超导研究迎来新纪元
重大突破：科学家发现4e和6e电荷的库伯对，超导研究迎来新纪元
超导体是物理学领域最具魅力的研究对象之一。最近，科学家们在kagome超导体中发现了一种全新的超导现象：电子可以形成携带4e和6e电荷的库珀对，这突破了传统BCS理论中2e库珀对的限制。这一发现不仅挑战了我们对超导性的传统认知，更为开发新型超导材料和器件开辟了新的研究方向。
超导性是指某些材料在低于临界温度时表现出零电阻的现象，这一现象已令科学家们着迷了逾百年。现行的巴丁-库珀-施里弗（BCS）理论解释了超导性是由于库珀对（两个电子的束缚态）的形成，而库珀对携带 2e 的电荷（其中 e 是基本电荷）。
然而，最近发表在《物理评论X》的论文，通过对kagome 超导体的研究，对这一范式提出了挑战，揭示了更高电荷超导性的可能性，其中库珀对携带4e和6e的电荷。
这项研究中的关键概念是磁通量子化。在一个超导环中，穿过环路的磁场（磁通）只能存在于离散单位中，是基本值Φ₀ = h/2e（其中h是普朗克常数）的倍数。这种量子化是因为库珀对携带固定电荷-2e，充当具有特定磁矩的单个实体。通过测量外加磁场作用下超导环的磁阻，我们可以观察到磁阻的周期性振荡。这些振荡的周期与磁通量的量子直接相关，为探测超导凝聚物的性质提供了有力的工具。
Kagome超导体是一种晶体结构类似编织篮子的材料。这种独特的结构导致复杂的电子相互作用，这可能会偏离传统的 BCS 图像。一组研究人员利用一种特殊的kagome超导体CsV₃Sb₅制造了环形装置，探索了这种可能性。
这些环作为研究超导基本性质的灵敏探针，通过测量环形器件在不同磁场下的磁阻，研究人员观察到一个迷人的现象——新的磁通量子出现，其周期性对应于 4e 和 6e 的电荷！在低温下，观察到了熟悉的 h/2e 振荡，证实了传统2e库珀对的存在。然而，随着温度升高，这些振荡消失了。取而代之的是，出现了周期性为 h/4e 的新振荡，表明形成了携带 4e 电荷的库珀对。进一步的温度升高导致 4e 振荡的抑制，并出现强劲的 h/6e 振荡，表明存在 6e 库珀对。
这些观察结果为多电荷磁通量子和更高电荷超导性的存在提供了首个实验证据。它表明在某些条件下，kagome 超导体中的电子可以形成电荷超过传统 2e 极限的库珀对。这一发现为我们理解超导性开辟了新篇章，并对未来的研究具有重大意义。
然而，仍有一些问题没有得到解答。形成这些更高电荷库珀对的确切机制仍在研究中，需要开发理论框架来解释这些奇异状态的稳定性和特征。此外，研究人员观察到即使在较高温度下，2e 库珀对也存在“残留”，表明不同超导态之间存在复杂的相互作用，需要进一步研究来理清这种复杂的相互作用。
电荷4e和电荷6e磁通量子化的发现有可能彻底改变我们对超导性的理解。它为探索具有增强功能的新材料和工程新型超导器件打开了大门。这些设备可能会导致各个领域的重大进步，包括电力传输、高速电子和下一代量子技术。
总而言之，对kagome超导体环形器件的研究标志着超导领域向前迈出了一大步。它挑战了传统的 2e 库珀对图像，并为探索更高电荷超导的新领域铺平了道路。这一发现证明了基础研究在推动科学知识边界方面的力量，并为超导体世界充满令人兴奋的可能性铺平了道路。
本文原文来自《物理评论X》，由网易新闻报道。