科学前沿观天下 笃学明理洞寰宇现代物理学的终极目标之一就是发掘超导体的潜力，使电流在室温下能以零电阻流动。为了实现这一核心技术的突破，数代科学家潜心研究并已取得不小的成果。近日，美国科学家在超低温下观测到一种奇异的材料，其具有的特性与我们已有的认知截然不同，这意味着它的潜力也可能是无穷的。更或者，这一研究为我们打开了 一扇通过终极目标的大门…
超导理论认为，金属中自旋相反的电子可以配对形成库珀对，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，从而形成超导电流。迄今为止，科学家已在许多材料中发现了这种超导性，而且已经被用于核磁共振仪和磁悬浮列车中产生强磁场。然而，维持超低温的昂贵和体积庞大的设备限制了超导材料更广泛地应用。
最近，物理学家在超导研究方面取得了意想不到的突破。美国马里兰大学的研究人员在超低温度下探测一种奇异材料时，观察到了一种新型的超导性。这种超导性不仅出现在一种意想不到的材料中，而且依赖于电子相互作用，与我们迄今所见的配对电子的作用完全不同，这意味着以人类的思维无法预测它可能具有的潜力，具有令我们的世界发生革命性改变的巨大潜力…
要理解这种差异，需要知道电子的相互作用方式是由自旋量子特性决定的。在常规超导体中，电子自旋为1/2，但在YptBi这种特殊的材料中，研究人员发现电子有另一种自旋态，即3/2。物理学家Johnpierre Paglione解释：“从没有人认为固体材料存在这种可能，单个原子中的高自旋态是可能的，但是一旦将原子放在一个固体中，这些高自旋态通常会分裂，最终形成降为1/2自旋态。”
几年前YptBi的首次发现可以说是超导领域的一个惊喜。因为这种材料实际上并不符合超导体几个主要标准，即在常温下相对导体，具有大量的移动电子。根据传统超导理论，在低于0.8K的温度下，YPtBi需要大约1000倍以上的自由移动电子才能成为超导体。然而，当研究人员冷却材料时，他们惊喜地看到了超导现象。
为究其原因，最新的研究着眼于材料与磁场相互作用的关系，以便更为准确了解材料内部到底发生了什么。通常当一种材料向超导体过渡时（降温），它逐渐从其表面上排除任何附加的磁场，然后迅速衰减。于是，美国研究小组使用铜线圈来检测YPtBi的磁性能随温度的变化。
研究发现，随着材料从绝对零度升温，材料的磁通量呈线性增加，而不是呈指数级增长，这正是超导体的重要特性。经过一系列测量和计算后，研究人员得出结论：电子伪装成具有较高自旋的粒子。而科学家之前在对超导体的认知中这是根本不可能性。虽然这种新型的超导性现在仍然需要低温，但这一发现为整个领域提供了一个全新的方向。
这一结果绝对是令人难以置信的存在，还需要更深入地研究。但客观地讲，这一研究可以称得上是近百年来超导体研究的新突破…过去，超导性局限于电子的自旋配对，而从今往后将会考虑更高的自旋态。这样一来，整个超导研究的前景就会大大增加，相信在不久的将来会有更多令人惊喜的发现！
文/朱张航宇
参考文献：Beyond triplet: Unconventional superconductivity in a spin-3/2 topological semimetal，Science Advances, 2018, Vol.4, no.4, eaao4513.
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