來自三大洲的物理學家團隊，剛剛報告了首個能夠解釋迄今最薄超導體背后不尋常電子行為的實驗證據(jù)。 得益于極其高效的導電特性，這種只有單原子層厚度的材料，有望在無數(shù)場景下得到廣泛的應用，比如帶來更好的醫(yī)學診斷等。

這項由麻省理工學院和布魯克海文國家實驗室物理學家領銜的開創(chuàng)性工作，主要歸功于全球范圍內(nèi)也屈指可數(shù)的新設施和新儀器。

由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，有助于指導更好的超導體開發(fā)，反之又可推動醫(yī)學診斷、量子計算、能量傳輸?shù)阮I域的發(fā)展。

這項工作的主題，旨在研究一類激動人心的超導體。因其超導特性的溫度較傳統(tǒng)材料(約 10 開爾文 / -442 ℉ / -263℃)高了一個數(shù)量級，使之更有望在現(xiàn)實中投入使用。

不過當前面臨的主要問題是，這類高溫超導體的行為，仍然沒有被物理學家完全理解。MIT 助理教授 Riccardo Comin 表示：“它們的微觀激發(fā)和動力學，對于超導特性的理解至關重要”。

經(jīng)過 30 年的研究，許多問題仍然懸而未決。不過 2015 年的時候，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新型高溫超導體，它就是能夠在 65 開爾文環(huán)境下實現(xiàn)超導、只有單原子厚度的 硒化鐵片。

但是塊頭大得多的相同材料，必須在低至 8 開爾文的溫度下，才能實現(xiàn)超導。MIT 材料研究實驗室的 Comin 表示，這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了全球科學家想要破譯迄今最薄超導體秘密的研究熱潮。

研究發(fā)現(xiàn)：在普通金屬中，電子的行為就像一個人在房間里跳舞一樣。而在超導金屬中，電子會像舞伴一樣成對移動，好像它們就是量子編舞的一部分，最終形成了一種電子超流體。

然而將這些電子對結(jié)合到一起的相互作用，又是哪種神秘的“膠水”呢?Comin 指出：科學家們已經(jīng)知道，傳統(tǒng)超導體中的“膠水”，源于材料內(nèi)原子的運動。

然而在納米尺度上，其實發(fā)生了很多的事情。在這種材料的內(nèi)部，電子會向著所有可能的方向飛來飛去，原子發(fā)出了“嘎嘎”的振動聲。不過在傳統(tǒng)超導體中，電子卻是借助存儲在原子運動中的能量來配對的。

高溫超導體中電子配對背后的“膠水”，與之有著明顯的不同。在一種假設中，科學家們認為它與被稱作“自旋”的電子特性有關(另一個我們更加熟悉的特性，就是它們的電荷)。

Pelliciari 表示，自旋可被視作一塊最基礎的磁鐵。在有關高溫超導體的假設中，電子能夠從從自旋中獲取一些激發(fā)能量，而這也是其用于配對的“粘合劑”。

此前，大多數(shù)物理學家都認為無法檢測、或測量只有但原子層厚度材料的自旋激發(fā)，而這也是新研究團隊在《自然通訊》期刊上所提到的非凡成就。

據(jù)悉，物理學家們不僅檢測到了自旋激發(fā)，還發(fā)現(xiàn)了超薄樣品中的自旋動力學與大塊樣品中的情況截然不同。具體說來是，前者波動自旋的能力，較后者高出了 4~5 倍。

Pelliciari 表示：“這是單原子厚度的材料中存在自旋激發(fā)的首個實驗證據(jù)”。感興趣的朋友，可翻閱 Nature Communications 上的《Evolution of spin excitations from bulk to monolayer FeSe》一文。

關鍵詞： 物理學家 超導體 實驗證據(jù) 不尋常電子