物理实验揭示新的物质状态形成:打破时间反演对称性

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北京时间 10 月 22 日消息，据国外媒体报道，实现超导电性的核心原理是电子对（称为“库珀对”）的形成。那么，这些电子对能否凝聚“4 个一组”的状态？最近的一项研究发现，这种可能性确实存在。来自瑞典皇家理工学院的物理学家发表了关于这种物质状态的第一个实验证据，证明了该效应的存在及其发生机制。

▲ 电子配对使超导量子态成为可能，这是一种零电阻的导电状态，可用于核磁共振扫描仪和量子计算

在发表于《自然-物理学》（Nature Physics）的论文中，叶戈尔・巴巴耶夫教授及其合作者提出了费米子在铁基材料 Ba1−xKxFe2As2 上的一系列实验测量中增加为 4 倍的证据。早在近 20 年前，巴巴耶夫就首次预测了这种现象；而在 8 年前，他发表了一篇预测这种现象可能发生在这种材料中的论文。

电子配对使超导量子态成为可能，这是一种零电阻的导电状态，可用于核磁共振扫描仪和量子计算。电子配对发生在物质内部，是两个电子结合的结果，而不会像在真空中那样相互排斥。利昂・库珀、约翰・巴丁和约翰・施里弗最早对这一现象进行了理论描述，该研究成果 —— 即 BCS 理论 —— 使他们在 1972 年获得了诺贝尔物理学奖。

简单来说，所谓的库珀对基本上就是“异性相吸”。通常情况下，两个带负电的电子会强烈排斥对方，但在低温下，它们会松散地成对结合在一起，形成稳定的长程有序结构。电子对的电流不再因为晶格缺陷和阻碍而分散，导体也因此失去所有的电阻，成为一种新的物质状态：超导体。一般而言，电子之间都有微小的引力，这使得电子的能量低于费米能时，电子就会结合在一起；这一能量降低的量级大约是 1meV，而常规温度对应的热运动能量相对较大，因此库珀对现象通常要在低温下才会出现，即所谓的低温超导。

▲ 研究者采用铁基超导体材料 Ba1−xKxFe2As2 进行实验测量

然而，BCS 理论并不能成功解释非常规超导体，或高温超导的现象。直到最近几年，四费米子凝聚态的理论思想才被广泛接受。为了实现费米子的四倍状态，就必须有某种东西阻止配对的凝聚及其无阻碍的流动，同时允许四电子复合材料的凝聚。

BCS 理论中不允许这样的情况出现，因此，当巴巴耶夫在德累斯顿工业大学的实验合作者瓦迪姆・格林年科于 2018 年发现了费米子 4 倍凝聚的第一个迹象时，多年来普遍存在的科学共识便受到了挑战。随后，为了验证这一发现，他们在多个机构的实验室进行了长达三年的实验和研究。

在这些研究中，最关键的是观察到了费米子四重凝聚会自发地打破时间反演对称性。在物理学中，时间反演对称是一种数学运算手段，即在公式或方程中，用时间的负数来表达时间，从而描述时间反演或所有运动反演的事件。

如果在时间反演的情况下，物理的基本定律仍然成立，即物理系统保有对称性，则可以称为时间反演对称。这也适用于典型的超导体：如果时间箭头倒转，典型的超导体仍然会保持相同的超导状态。

然而，在四费米子凝聚的情况下，时间反演会使其处于不同的状态，要完全理解这种状态可能还需要很多年的研究。这些实验提出了一些新的问题，揭示了与这种凝聚状态对热梯度、磁场和超声波反应相关的其他一些不寻常的特性，还需要进一步理解这些特性。