超导体中量子漩涡的神秘“突然死亡”难倒了科学家违背现有理论

　　超导体是一种令人惊叹的物质，它在低温下具有零电阻的特性凯时国际游戏登录入口，也就是说凯时国际游戏登录入口，电流可以在其中无阻碍地流动，不会产生任何能量损耗。这种特性为超导体在各种领域的应用提供了巨大的潜力凯时国际游戏登录入口，比如能源、交通、医疗、计算等。超导体可以用来制造高效的电缆、电机、发电机、变压器凯时国际游戏登录入口、磁悬浮列车凯时国际游戏登录入口、核磁共振成像仪、粒子加速器等设备。然而，超导体的原理和机制并不完全清楚凯时国际游戏登录入口，科学家们一直在探索超导体的奥秘，希望能够实现室温下的超导性，从而为人类带来更多的福祉。

　　今天将介绍一项关于超导体的最新研究，该研究发现了一种奇异的超导材料内部量子涨落的神秘“猝死”现象，这一现象违背了已有的理论预测凯时国际游戏登录入口，需要一个全新的理论来解释它凯时国际游戏登录入口。这一研究可能揭示了超导体的新奥秘，为理解超导性的本质和提高超导性的温度提供了新的思路凯时国际游戏登录入口。

　　这一研究是由普林斯顿大学的物理学家吴三峰和王乃椿领导团队进行的（不得不说凯时国际游戏登录入口，材料科学领域top科学家里中国人或前中国人居多），他们使用了一种特殊的超导材料，即一层原子厚的半金属化合物碲化钨。碲化钨是一种二维材料，它的结构类似于石墨烯，但是它的原子之间的距离更大凯时国际游戏登录入口，这使得它的电子可以在两个方向上自由移动，而不是像石墨烯那样只能在一个方向上移动。这种材料在低温下具有超导性凯时国际游戏登录入口，但是它的超导机制和性质与常见的超导材料有很大的不同。

　　超导性是一种量子现象，它发生在一种材料的原子排列发生变化时，导致材料内的电子以所谓的库珀对的形式结合起来，形成一种无阻的超流体。库珀对是由两个相反的自旋的电子组成的，它们之间通过晶格振动产生的声子交换吸引力而结合在一起凯时国际游戏登录入口。库珀对的形成需要一定的温度凯时国际游戏登录入口，一般低于某个临界温度，这个温度通常很低，比如金属铜的临界温度是-234摄氏度。在临界温度以下，库珀对会在材料中形成一个相干的量子态，即玻色-爱因斯坦凝聚态，这个态具有超流性，也就是说，它可以在没有粘性和阻力的情况下流动凯时国际游戏登录入口。

　　然而，在碲化钨这种二维材料中，库珀对的形成和维持并不容易凯时国际游戏登录入口，因为它们会受到量子涨落的影响。量子涨落是指在量子系统中，物理量会随机地变化，而不是保持恒定凯时国际游戏登录入口。在二维超导体中，量子涨落主要是由于量子涡旋，即磁场的微小漩涡，在一定的温度和电压下凯时国际游戏登录入口，通过材料扩散并破坏其超导能力而发生的凯时国际游戏登录入口。量子涡旋是一种拓扑缺陷，它是由于超流体中的局部旋转而产生的凯时国际游戏登录入口，它的存在使得超流体的流速不再为零，而是呈现出涡旋状的分布凯时国际游戏登录入口凯时国际游戏登录入口。量子涡旋的核心是一个奇点凯时国际游戏登录入口，即流速趋于无穷大凯时国际游戏登录入口，温度趋于绝对零度，密度趋于零的点凯时国际游戏登录入口。量子涡旋的大小和形状取决于超流体的相干长度，即库珀对的平均距离凯时国际游戏登录入口。量子涡旋可以相互作用，形成复杂的涡旋网络，从而导致超流体的湍流现象凯时国际游戏登录入口。

　　在碲化钨这种二维超导体中，量子涡旋的行为与已有的理论预测不符，这让科学家们感到困惑。为了观察量子涡旋的运动，研究人员将碲化钨晶体剥离到单原子层凯时国际游戏登录入口，然后将其超冷却到仅50毫开尔文（-273.10摄氏度）。这样，他们就得到了一个强绝缘体，它的电子被限制在无法导电的流动中。但是凯时国际游戏登录入口，当他们添加了额外的电子并施加了电压时，他们得到了一个非凡的结果：这种材料转变成了超导体。

　　“只有微小的栅压就可以将材料从绝缘体转变为超导体凯时国际游戏登录入口凯时国际游戏登录入口，”该研究的第一作者、普林斯顿大学物理学博士后宋天成在声明中说。“这真是一个了不起的效果。”

　　研究人员利用一种称为扫描隧道显微镜的仪器，测量了施加电压产生的涡旋凯时国际游戏登录入口。这种仪器可以在原子尺度上探测材料的表面形貌和电子密度，从而显示出量子涡旋的位置和数量。研究人员发现，当他们改变电压和温度时，量子涡旋的行为出现了一些奇怪的现象。

　　过去的实验表明，这些涡旋在高温度和强磁场下会突然消失（或者一旦它们将材料从超导相推到电阻相）。

　　但实验发现了相反的情况，在更高的温度和更强的磁场下，涡旋在材料的绝缘相中持续了很长时间。

　　此外，当一种超导材料被冷却到接近绝对零度，并且电子密度被调节到相变的刀刃边缘时凯时国际游戏登录入口，它应该达到一个称为量子临界点的阶段。由于没有温度来驱动相变，材料应该根据随机涡旋涨落的变化而在绝缘和超导相之间翻转。

　　但是，当实验者将他们的材料冷却到接近绝对零度时，他们观察到，量子漩涡并没有像预期的那样在量子临界点附近弱弱地持续存在，而是突然消失了。

　　“我们预期在非超导一侧的临界电子密度以下会看到强烈的涨落，”吴说凯时国际游戏登录入口凯时国际游戏登录入口凯时国际游戏登录入口。“然而，我们发现的是凯时国际游戏登录入口凯时国际游戏登录入口，涡旋信号在临界电子密度被穿越的那一刻‘突然’消失了。这让我们很震惊。我们无法解释这一观察结果——涨落的‘猝死’。”

　　“换句话说，我们发现了一种新型的量子临界点，但我们不理解它，”合著者、普林斯顿大学物理学教授王乃椿在声明中说凯时国际游戏登录入口凯时国际游戏登录入口凯时国际游戏登录入口。

　　研究人员说，要描述这一令人震惊的发现，他们需要开发一个全新的理论，并在实验室中进行测试。如果他们成功了，他们将为帮助我们理解超导材料的奇异行为迈出一个小而重要的一步。

　　这一研究引起了物理学界的广泛关注，许多专家和学者对这一发现表示了赞赏和好奇。美国国家标准与技术研究院的物理学家约瑟夫·斯塔奇斯说：“这是一项非常有趣和重要的工作，它展示了二维超导体中量子涨落的新奇行为，这些行为与我们所知的任何理论都不一致。” 斯塔奇斯还指出，这一发现可能与一种称为“奇异金属”的新型量子相有关，这种相在一些高温超导体中也被观察到，它的电阻随温度的变化呈现出非常规的规律。

　　可是也有一些物理学家对这一发现提出了质疑。加州大学伯克利分校的物理学家阿里·亚兹代里说：“我认为这篇文章的结论是错误的凯时国际游戏登录入口，它没有考虑到一些重要的实验因素，比如样品的不均匀性和隧道电流的影响。” 亚兹代里还表示，他和他的同事已经对碲化钨进行了类似的实验，但没有发现量子涡旋的“猝死”现象，而是发现了与已有理论一致的结果。

　　这样，关于碲化钨中量子涡旋的神秘现象，就出现了两种截然不同的观点，一种认为它是一种新的量子相变，另一种认为它是一种实验误差。这种争论反映了超导性研究的困难和挑战凯时国际游戏登录入口凯时国际游戏登录入口，也只有通过更多的实验和理论的对比和验证，才能揭开此次超导性现象的真相。