柯恩Bastiaans。來源:萊頓大學
科恩·巴斯蒂安斯和他的同事們發現了一種前所未有的新型量子液體。他們使用了一種可以與聽雨滴落在屋頂上的聲音相媲美的技術。
也許你還記得那些老式的燈泡;它們發出舒適的光芒，它們很熱，現在它們會大大增加你的電費。為什麼?它們是由電阻很大的材料製成的。所有的材料都有一定的導電電阻。
所有材料?是的，除了一種叫做超導體的特殊材料。當它們被冷卻到一定(極低)溫度以下時，它們可以毫無阻力地傳輸電力。它們是如何工作的一直是物理學的謎團之一。
教科書的理論
有一種理論可以解釋為什麼一些材料會變得超導:一旦冷卻到它們的過渡溫度以下，材料中的電子成對形成庫珀對。然後，這些庫珀對凝聚成一種量子液體，毫不費力地流動，沒有阻力，導致超導性。
到目前為止，物理學家認為庫柏對的形成和凝結成無阻力狀態是一個同時發生的聯合過程。“這是我們在教科書中都學過的，”該研究的主要作者、物理學家科恩·巴斯蒂安斯說。
神秘的量子液體
這裡有一個大驚喜:巴斯蒂安和他的同事們發現，庫珀對在超導體轉變溫度以上仍然存在，形成了一種新的神秘的量子液體狀態。巴斯蒂安斯說:“這意味著庫珀對的形成過程與冷凝本身不同。”“對我來說，這完全改變了我對超導性的看法。”
與代爾夫特理工大學和空間研究所SRON密切合作開始了研究，重點是超導體TiN(氮化鈦)，它也用於空間研究的非常靈敏的光學探測器。
雨點落在屋頂上
為了探測庫珀對，萊頓小組正在開創一種技術，使他們能夠“聽”超導體中的電子。當它們是單電子時，噪聲分佈與電子形成庫珀對時不同。“這有點像聽雨點落在屋頂上，”巴斯蒂安斯在早些時候的影片中解釋道。“當雨滴變大時，雨聲也變了。”
研究人員測量了超導TiN中的噪聲，這清楚地表明，在低溫下，這種材料是由庫珀對構成的。
TiN的STM影象。來源:Koen Bastiaans等人，《科學2021》
“最好的還在後面”
當他們把溫度提高到2.95開爾文(-273攝氏度以上2.95度)以上時，超導性就像預期的那樣消失了。但是庫珀對會一直存在直到溫度達到7.2開氏度。“所以你可以在沒有凝結和超導的情況下得到庫珀對，”巴斯蒂安斯說。有跡象表明這是可能的，但從來沒有確鑿的證據。這意味著我們實際上發現了一種新的量子液體:一種電阻性物質，但完全由庫珀對組成。”
這一發現發表在《科學》雜誌上，為尋求理解超導性的物理學家提供了新的見解。這表明，形成庫珀對和冷凝並不一定是一個相同的過程。
“這很有趣，”巴斯蒂安斯說，他現在是代爾夫特理工大學的博士後，“最重要的測量是在我在萊頓進行博士答辯的前一天晚上開始的。在答辯期間，我的論文指導老師說，最好的還在後面。這一點他當然是對的。”
