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“无中生有”为超导提供了一个新的视角

室温下电阻为零?具有这种性质的材料,即室温超导体,可以彻底改变电力分配。但是到目前为止,高温超导的起源还没有被完全理解。来自汉堡大学的科学家和“崔:物质的高级成像”卓越小组已经成功地观测到了一个中心模型系统中超流的有力证据,这是一个二维气体云。科学家们在《科学》杂志上报告了他们的实验,该杂志允许在一个非常可控的模型系统中研究高温超导的关键问题。

有些事情是不应该发生的。例如,水不能通过玻璃墙从一个杯子流到另一个杯子。令人惊讶的是,量子力学允许这种情况发生,前提是两种液体之间的屏障足够薄。由于量子力学的隧穿效应,粒子可以穿透势垒,即使势垒高于液体的水平。更引人注目的是,这种电流甚至可以在两边的水平相同或者电流必须稍微向上流动的情况下流动。然而,为此,两边的流体必须是超流体,也就是说,它们必须能够在没有摩擦的情况下绕过障碍物。

这一惊人的现象是布赖恩·约瑟夫森在他的博士论文中预言的,它是如此的重要以至于他因此获得了诺贝尔奖。这种电流仅仅是由超流体的波动特性驱动的,它可以确保超流体开始在两极之间来回摆动——这种现象被称为约瑟夫森振荡。

约瑟夫森效应于1962年首次在两个超导体之间被观测到。在实验中——直接类比于没有电平差的水流——电流可以在没有外加电压的情况下流过隧道的接触面。有了这一发现,就提供了一个令人印象深刻的证据,即超导体中物质的波动性质甚至可以在宏观水平上观察到。

现在,亨宁·莫里茨教授小组的科学家们第一次成功地观测到了二维费米气体中的约瑟夫森振荡。这些费米气体由“无气”组成,即只有几千个原子的气体云。如果它们被冷却到绝对零度以上几百万度,它们就会变成超流体。它们现在可以用来研究超流体,在这种超流体中,粒子之间相互作用强烈,且只存在于二维空间中——这种组合似乎是高温超导的核心,但人们对它的理解仍不完全。

“我们惊讶于约瑟夫森振荡在我们的实验中是如此的清晰可见。这是我们的超低温二维费米气体中相位相干的明确证据,”第一作者Niclas Luick说。“我们对系统的高度控制还使我们能够测量超流在其之上分解的临界电流。”

莫里茨教授说:“这一突破为我们提供了许多新的机会,让我们得以深入了解紧密相关的二维超流体的本质。这些超流体在现代物理学中具有极其重要的地位,但在理论上却很难模拟。”我们很高兴通过我们的实验为更好地理解这些量子系统做出贡献。”

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