一種新物質狀態“電子四重態”實驗揭示

科技日報北京10月20日電 （記者張夢然）超導的核心原理是電子形成對。但它們也能凝聚成“四人組”嗎？最新研究結果表明它們可以。瑞典物理學家20日在《自然·物理學》雜誌發表了關於這種四倍效應和這種物質狀態發生機制的第一個實驗證據。

瑞典皇家理工學院教授伊戈爾·巴巴耶夫在對鐵基材料Ba1-xKxFe2As2的一系列實驗測量中提出了費米子四倍增的證據。該結果是在巴巴耶夫首次預測這種現象近20年後，以及在他發表論文預測這種現象可能發生在材料中8年後得出的。

電子配對實現了超導的量子態，這是一種用於磁共振成像掃描儀和量子計算的零電阻電導狀態。它發生在材料內部，兩個電子結合而不是相互排斥，就像它們在真空中一樣。這種現象最初由約翰·巴登、利昂·庫珀和約翰·施裏弗進行理論描述，他們因此項工作於1972年獲得了諾貝爾獎。

所謂的庫珀對基本上是“吸引的對立面”。通常情況下，兩個電子，即帶負電荷的亞原子粒子，會強烈地相互排斥。但是在低温晶體內，它們會鬆散地成對結合。電子對的電流不再從缺陷和障礙物散射，導體可以失去所有電阻，成為一種新的物質狀態：超導體。

但直到最近幾年，四費米子凝聚體的理論思想才被廣泛接受。

巴巴耶夫説，要使費米子四倍態發生，必須有一些東西可以防止對的凝聚，阻止它們無阻力地流動，同時允許四電子複合物的凝聚。

巴登—庫珀—施裏弗理論不允許這種行為，當巴巴耶夫在德累斯頓工業大學的實驗合作者瓦蒂姆·格林年科在2018年發現費米子四倍冷凝物的第一個跡象時，它挑戰了多年來流行的科學共識。研究人員隨後在多個機構的實驗室進行了3年的實驗和調查，以驗證這一發現。

巴巴耶夫説，觀測的關鍵是費米子四重凝聚自發地打破了時間反轉對稱性。在物理學中，時間反轉對稱性是一種數學運算，它用公式或方程中的負數替換時間表達，以便它們描述時間倒流或所有運動反轉的事件。

如果將時間方向倒轉，物理學基本定律仍然適用。這也適用於典型的超導體：如果時間的箭頭倒轉，典型的超導體仍將處於相同的超導狀態。

巴巴耶夫表示：“然而，在我們報告的四費米子凝聚體的情況下，時間逆轉使它處於不同的狀態。可能需要多年的研究才能完全瞭解這種狀態。這些實驗提出了許多新問題，揭示了與熱梯度、磁場和超聲波反應相關的許多仍需更好理解的其他異常特性。”