科学界大发现:东京大学完整证明了,一种前所未有的超导体

老胡懂点星 2025-04-04 01:54:32

又有突破,东京大学搞出来的。他们造出了一种从来没见过的超导体,和过去几乎所有的超导原理都不一样:不靠磁性,不靠电子的自旋,靠的是一群“隐形”的电子行为——四极矩。

听上去很高深?其实没那么复杂。我们都知道电子带电,但它还有别的“属性”,比如自旋、轨道。这些属性组合起来,能在材料里折腾出各种奇怪现象。最出名的一个,就是超导——电流流过时完全没有阻力,零损耗。

但超导不是随便哪个材料都有的,它有门槛,得满足一些非常苛刻的条件。过去几十年,科学家一直研究怎么让材料变超导。主流思路是:让电子们成对,这样它们就不会被晶格撞停,就能自由穿梭。这种电子对,叫“库珀对”。

经典的办法,是靠电子之间通过声子(就是原子在材料里的微小振动)互相吸引——这叫“传统超导”。后来有人发现,还有种“非常规”的超导,不靠声子,而是靠电子的“自旋”之间的互动,比如很多高温超导体,就是这么来的。

但这次,东京大学这批人,干了件从根上挑战思路的事:他们弄了个材料,叫PrTi₂Al₂₀,在超低温的环境下超导。但这个材料里没有“自旋”的作用——也就是说,原来那个解释超导的“自旋涨落”理论,在这里完全说不通。

那它靠什么超导?答案是:四极矩。

这是什么东西?你可以简单理解为电子不是个小点,而是像一团云,这团云在空间里分布得有点“椭圆形”。这个形状,就是四极矩的表现。不是正电,也不是负电,而是形状的不同。说白了,是电子在“坐姿”上的差异。

这种看不见摸不着的“坐姿”,在材料里竟然全体排队、方向一致,就像一屋子人突然统一动作坐下,这叫“铁四极序”。

研究人员发现:只要这堆四极矩有序,材料就能进入超导状态。也就是说,不靠磁、不靠声子、不靠自旋,仅靠这群“姿态各异”的电子形成的一种隐藏秩序,就能让电流毫无阻力地通过材料。

这是头一次,有人完整证明了:四极矩也能撑起一套超导机制。而且,整个体系纯净得不像话。因为很多其他超导体,多少掺着点自旋、磁性、甚至杂乱无章的晶体缺陷。可PrTi₂Al₂₀,在研究团队的精心设计下,很纯净。

要搞清楚这怎么超导可不简单。东京大学这批人搞了一堆硬核实验:比热量、测电阻、测磁场变化,还得把材料冻到接近绝对零度——零下273°C。为什么要这么冷?因为只有在这种极限环境下,电子的各种“属性”才能清晰地表现出来。不然温度一高,电子乱跑,谁都别想看清它在干啥。

更牛的是,他们还尝试往材料里掺杂一些“杂质”——看四极矩是不是一旦被打乱,超导就失效了。结果发现,这超导和杂质的互动方式,和我们过去熟悉的那些材料又完全不一样。

也就是说,这种“多极矩驱动”的超导,不只是新鲜事儿,而是可能代表了一整套新的物理机制。

过去几十年,大家总觉得超导要么靠振动(声子),要么靠自旋(磁性)。现在,这个思路可能要被改写了:电子的形状、它们排列的“秩序”,也可能是关键因素。

这在科学界,就是天大的事。就像过去你以为火只能靠打火石点着,现在有人告诉你,其实靠摩擦风也能烧起来,而且可能更高效。而PrTi₂Al₂₀,可能就是这种“风”的原型。

还有一点也很妙。研究人员提到,这种材料可能还关联到所谓的“奇怪金属”行为,就是一些金属在极端情况下,表现出怪异的电阻和热导性变化,根本用现在的理论解释不了。

甚至,还有量子临界点的问题。这种点,简单说就是某种状态在量子层面快要“崩溃”的边缘,像水快要从冰化成液体的那个节点。在那里,物理规律开始失控,可能爆出更多奇怪的行为。

PrTi₂Al₂₀,可能就是观察这种奇点行为的完美平台。而四极矩、多极序这些曾经被认为“边缘”的变量,现在正在一跃成为“主角”。

过去,主流科研几乎全押在“自旋”身上,各种高温超导体都想办法增强或控制电子自旋。可现在看,有些材料压根不玩自旋,照样能进超导、进量子临界、甚至搞出拓扑性质。

这一突破会带来什么结果,现在没人知道。但有一点可以确定:非常规超导的研究,已经走出自旋的“舒适圈”,进入到一个更奇异、更深层的领域。

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老胡懂点星

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