高溫超導性潛力巨大的奇異金屬

科學家已經非常了解溫度會如何影響銅或銀等大多數日常金屬的導電性。但近年來，研究人員已經將注意力轉向了一類似乎不遵循傳統電學規則的材料，也就是所謂的奇異金屬。

在一項發表于《自然》雜志的研究中，研究團隊在一種材料中發現了奇異金屬行為，這種材料中的電荷不是由電子攜帶的，而是由兩個電子結合而成的庫珀對所攜帶。這是科學家首次在玻色子體系中看到奇異金屬的行為。

玻色子和費米子

1952年，諾貝爾獎得主利昂·庫珀（Leon Cooper）發現，在正常的超導體（而不是之后發現高溫超導體）中，電子會聯合起來形成庫珀對，它們可以毫無阻力地在原子晶格中滑行。

雖然電子屬于一類被稱為費米子的粒子，但庫珀對卻是以玻色子的方式行事，遵循著與費米子截然不同的規則。玻色子和費米子的體系通常表現得非常不同。

費米子遵循泡利不相容原理，也就是說，在費米子組成的系統中，兩個或兩個以上的費米子不能占據相同的量子態。

費米子與玻色子的主要區別

但是，玻色子卻沒有這樣的限制。因此，玻色子被允許共享相同的量子態，這也意味著，它們可以像水分子在波紋中那樣集體移動。

奇異金屬

奇異金屬行為是在約30年前一類叫作銅氧化物的材料中發現的。這些銅氧化物材料因為是高溫超導體而為人所知，也就是說，它們可以在遠高于普通超導體的溫度下以零電阻導電。但是，即使在高于超導臨界溫度的溫度下，與其他金屬相比，銅氧化物的行為也很奇怪。

隨著溫度升高，銅氧化物的電阻會以嚴格的線性方式增加。在正常的金屬中，電阻只增加到一定程度，而在高溫下變得恒定，這與所謂的費米液體理論一致。

當在金屬中流動的電子撞上金屬的振動原子結構，導致它們散開時，電阻就會產生。費米液體理論為電子散射的發生設定了一個最大速率。但奇異金屬并不遵循這種費米液體規則，而且還沒有人能確定它們是如何運作的。

科學家知道的是，奇異金屬中的溫度與電阻的關系似乎與自然界的兩個基本常數有關，分別是玻爾茲曼常數（它代表隨機熱運動產生的能量），以及普朗克常數（它與光子的能量有關）。

為了理解在這些奇異金屬中發生的事情，人們已經應用了類似于用來理解黑洞的數學方法。換句話說，在這些材料中一定發生了一些關于非常基本的物理學的事情。

玻色子奇異金屬

2019年，科學家已經證實，庫珀對玻色子可以產生金屬行為，也就是說，它們能以一定的阻力導電。研究人員認為這本身就是一個驚人的發現，因為量子理論的要素表明，這種現象應該是不可能的。

納米圖案化的YBCO薄膜的掃描電子顯微鏡圖像

在這項最新的研究中，團隊想了解玻色子庫珀對金屬是否也是奇異金屬。他們使用了一種叫作釔鋇銅氧（YBCO）的銅氧化物材料，這種材料上有誘導庫珀對金屬態的空穴。

他們將材料冷卻到略高于其超導溫度的狀態，觀察它的電導變化。結果發現，與費米子奇異金屬一樣，庫珀對金屬的電導與溫度呈線性關系。

基本的理論見解

對理論學家來說，為奇異金屬中觀察到的行為找到理論解釋一直是一項挑戰。而這項發現表明，如果要模擬奇異金屬中的電荷傳輸，這個型必須同時適用于費米子和玻色子，盡管這些類型的粒子遵循根本上不同的規則。

奇異金屬行為很有可能是理解高溫超導性的關鍵，而高溫超導性已經在許多方面表現出了巨大潛力。而且，奇異金屬行為似乎也與一些基本常數有關，了解它們的行為或許也能揭示出更多物理世界的基本原理。