鍶原子氣體   解開超導的量子秘密

編譯/高晟鈞

超導體使物理學看起來如同魔法一般,為醫療保健、交通和科學帶來的全新的技術與應用。在極低的溫度下,超導材料允許電流不受阻礙地流動,同時排除磁場(反磁性),使其能懸浮於磁鐵之上。核磁共振成像、磁浮列車、高能粒子加速器和量子計算都是超導體應用於生活的例子,有一天或許超導電網也將帶給我們源源不絕的電力。

量子模擬器讓科學家們進一步了解超導體的原理,幫助他們設計出更堅固或是非常規的超導體。圖/截取自 SciTechDaily

然而,超導體材料通常包含多種結構複雜的原子,因此我們很難在不影響超導特性的情況下,研究其和極高(低)溫度和壓力下,會對超導特性產生什麼變化。

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JILA 是美國國家標準與技術研究所 (NIST) 和科羅拉多大學博爾德分校的聯合研究所。在他們最新的研究中,來自JILA的研究團隊「鍶」氣體作為「量子模擬器」來模擬超導體的行為。儘管鍶原子本身不具有超導性,但卻與超導體遵循相同的量子物理規則。這使得研究團隊得以一探原子相互作用與超導體變化間的關係

庫柏電子對(Cooper pair)是指兩電子結合在一起的狀態,一般要在低溫下的超導狀態時才會出現。庫柏對通常會像「箭頭」一樣朝同一個方向排列;當我們想要其中一個箭頭指向不同方向時,你需要額外的能量來打破庫柏對,所需要的能量稱為「能隙」。

當系統處於平衡狀態時,一切都處於正常;然而,當你導入快速、突然的變化時,超導體便會失去平衡。幾十年來,科學家一直想知道,突然但又不足以完全打破庫柏對的失超後,超導電性會發生什麼變化。

理論學家預測了超導體失超的三個可能性階段。你可以想像,在一大群廣場上的舞者,一開始每個人都能同步跟上音樂;隨著時間推移,有些人開始累了,或者有些人開始跟不上節拍變得忽快忽慢,相互碰撞,這是第一階段──超導性崩潰。第二階段,舞者失去節奏,但設法保持同步,這是第二階段──超導性在失超後依然存在。以上兩階段都已經被觀測到

然而,沒有人見過第三階段,即系統的超導性隨著時間推移而振盪,這時雖然舞者們忽快忽慢,卻沒有人崩潰。換句話說,它可能有時候很強的超導體,有時也可能很弱。

研究團隊透過將鍶原子雷射裝入光學腔中,該空間兩端都有高反射鏡。雷射會來回反射數百萬次,然後一些光線會從一端洩漏出來。這套系統最終也成功地使團隊首次觀察到神祕的第三階段──系統可以在失去平衡的情況下,依舊維持超導性。

使用這樣的量子模擬器不只讓科學家們進一步了解超導體的原理,還可以幫助他們設計出更堅固或是非常規的超導體,進一步推進量子力學到生活應用的進化。

資料來源:ScitechDaily

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