一种新物质状态“电子四重态”实验揭示

科技日报北京10月20日电 （记者张梦然）超导的核心原理是电子形成对。但它们也能凝聚成“四人组”吗？最新研究结果表明它们可以。瑞典物理学家20日在《自然·物理学》杂志发表了关于这种四倍效应和这种物质状态发生机制的第一个实验证据。

瑞典皇家理工学院教授伊戈尔·巴巴耶夫在对铁基材料Ba1-xKxFe2As2的一系列实验测量中提出了费米子四倍增的证据。该结果是在巴巴耶夫首次预测这种现象近20年后，以及在他发表论文预测这种现象可能发生在材料中8年后得出的。

电子配对实现了超导的量子态，这是一种用于磁共振成像扫描仪和量子计算的零电阻电导状态。它发生在材料内部，两个电子结合而不是相互排斥，就像它们在真空中一样。这种现象最初由约翰·巴登、利昂·库珀和约翰·施里弗进行理论描述，他们因此项工作于1972年获得了诺贝尔奖。

所谓的库珀对基本上是“吸引的对立面”。通常情况下，两个电子，即带负电荷的亚原子粒子，会强烈地相互排斥。但是在低温晶体内，它们会松散地成对结合。电子对的电流不再从缺陷和障碍物散射，导体可以失去所有电阻，成为一种新的物质状态：超导体。

但直到最近几年，四费米子凝聚体的理论思想才被广泛接受。

巴巴耶夫说，要使费米子四倍态发生，必须有一些东西可以防止对的凝聚，阻止它们无阻力地流动，同时允许四电子复合物的凝聚。

巴登—库珀—施里弗理论不允许这种行为，当巴巴耶夫在德累斯顿工业大学的实验合作者瓦蒂姆·格林年科在2018年发现费米子四倍冷凝物的第一个迹象时，它挑战了多年来流行的科学共识。研究人员随后在多个机构的实验室进行了3年的实验和调查，以验证这一发现。

巴巴耶夫说，观测的关键是费米子四重凝聚自发地打破了时间反转对称性。在物理学中，时间反转对称性是一种数学运算，它用公式或方程中的负数替换时间表达，以便它们描述时间倒流或所有运动反转的事件。

如果将时间方向倒转，物理学基本定律仍然适用。这也适用于典型的超导体：如果时间的箭头倒转，典型的超导体仍将处于相同的超导状态。

巴巴耶夫表示：“然而，在我们报告的四费米子凝聚体的情况下，时间逆转使它处于不同的状态。可能需要多年的研究才能完全了解这种状态。这些实验提出了许多新问题，揭示了与热梯度、磁场和超声波反应相关的许多仍需更好理解的其他异常特性。”