量子計算機進入2.0時代，預測未來不是夢！玻色子奇異金屬：近30年量子理論發展的變革性成果丨凝聚萬相 DLC丨AC茂的模

2022年1月12日,一篇由電子科技大學的李延榮、熊傑團隊和布朗大學詹姆斯·瓦萊斯團隊主導,北京大學、北京師範大學、四川大學等機構參與的成果被髮表在《自然》雜誌上。 團隊在文章中宣佈發現了玻色子奇異金屬,30年來幾乎停滯不前的高溫超導研究或許終於向前邁進了一大步。 這個項目始於2019年,前期工作在19年底發表於《科學》雜誌。 我們的瑟斯同學曾有幸參加了瓦萊斯教授對於此項目理論部分的報告講座,並參觀了在布朗大學展開的部分工作。 衆所周知,宇宙中的基本粒子被分爲兩類——費米子和玻色子。 在《統一之路》和《凝聚萬象》系列中我們都曾講過,這兩類基本粒子的主要區別爲費米子自旋爲半整數,並且遵循費米·迪拉克統計,遵循泡利不相容原理。 所有組成我們周圍物質的粒子,比如電子、夸克等都是費米子,而玻色子自旋爲整數,並且遵循玻色·愛因斯坦統計,但不遵循泡利不相容原理。 而在我們的常識中,金屬或者其他導體中攜帶並傳遞電荷的粒子都是電子,也就是費米子,但玻色子奇異金屬顛覆了人們的這一認知。 在玻色子奇異金屬中,攜帶電荷的粒子不再是電子,而是由一對電子組成的庫珀對攜帶。 由於庫珀對是由兩個電子組成,所以庫珀對的自旋是兩個電子之和,也就是整數。 此時,我們可以將庫珀對看作是一個自旋爲整數的複合玻色子。 在凝聚暗相系列中,我們也對庫珀對有過介紹,庫珀對出自於描述低溫超導的BCS理論,由布朗大學物理學教授利昂·庫珀1956年發現。 在低溫超導體進入超導態後,有兩個電子組成的庫珀對能夠毫無障礙地在超導體中運動,因此不會產生電阻,正是由於庫珀對的作用,低溫超導得以存在。 但大約30年前,人們在發現了打破BCS理論的高溫超導的同時,也發現了一類被稱爲銅基高溫超導的著名法外狂徒。 在普通金屬中,根據同樣於1956年由朗道提出的朗道費米液體理論,電阻隨溫度上升而上升,然後在一定高溫下變得恆定,但銅基高溫超導體並不遵循這一理論。 隨着溫度的升高,銅基高溫超導體的電阻以嚴格的線性方式增加,完全不給朗道面子。 這類物質被稱爲奇異金屬,由於此時電荷的轉移載體依然是電子,所以便於區分,此類物質也被稱爲費米子奇異金屬。 而在2019年,瓦萊斯教授的理論工作表明,庫珀對玻色子同樣可以產生金屬行爲,這意味着它們可以在一定的電阻下導電,那麼理論上由玻色子,而不是由電子這種費米子主導的玻色子金屬也應該擁有類似現象,也就是所謂的玻色子奇異金屬。 與單個費米子不同,玻色子可以共享相同的量子態,這意味着它們可以像水分子一樣在波浪的漣漪中集體移動,所以它們有可能展示出與現在的人們所知理論完全不同的行爲。 於是實驗團隊在同級高溫超導體易被同氧薄膜中構築了納米網孔陣列,這些小孔能夠讓電荷載子如同漩渦一樣做出圓桌運動,從而通過調控小孔的大小就能調控庫珀對的相干性,誘發庫珀對的金屬狀態,在一定條件下可以將易被同氧轉化爲玻色子金屬。 之後,他們將藉助量子霍爾效應來確定此時易被同氧中的電荷載子是否是庫珀對。當固體導體放置在一個磁場內,且有電流通過時,導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊,及而產生電壓,這個產生的電壓被稱爲霍爾電壓,而由此產生的電阻被稱爲霍爾電阻。 這個效應於1879年被正在趕博士畢業論文的約翰·霍普金斯大學的博士生埃德溫·赫伯特·霍爾發現,而量子霍爾效應是由德國物理學家克勞斯·馮·克里清於1980年發現的量子版本,此時霍爾電阻被精確量子化了,具體內容在凝聚萬象的後續更新中會着重講到。 在將溫度降低至超導臨界溫度以下後,他們觀測到在庫珀對形成的臨界溫度以下,第一場磁阻的振盪週期由超導量子2e分之h所決定,其中e是電子電荷,h是plunk常數,同時隨着溫度的降低,霍爾係數在測量分辨率範圍內下降並消失,這表明是庫珀對而不是單個電子主導了傳輸過程,因此此時的電荷載子已經不會受到洛倫茲力而偏轉了。 然後,他們將材料冷卻至略高於其超導溫度,以觀察其電導的變化,結果表明這類玻色子金屬的電阻果然與溫度呈線性關係,也就是說它確實是科學家們一直以來想找到的玻色子奇異金屬。 不過,雖然玻色子奇異金屬被成功找到了,科學家們卻更加的一頭霧水,因爲它的存在預示着宇宙中有一個超越粒子統計的基本原理來控制它們的傳輸,但同樣的,這個激動人心的發現終於讓人們有了一個機會去了解這個基本原理,而不是像曾經那樣甚至不敢確定這個原理是否存在。 除此之外,玻色子奇異金屬也可能是理解高溫超導性的關鍵,它重新給無損電網和量子計算機等領域的發展帶來了更多的可能性和信心。