北京時間10月22日消息，據國外媒體報道，實現超導電性的核心原理是電子對（稱為“庫珀對”）的形成。那麼，這些電子對能否凝聚“4個一組”的狀態？最近的一項研究發現，這種可能性確實存在。來自瑞典皇家理工學院的物理學家發表了關於這種物質狀態的第一個實驗證據，證明了該效應的存在及其發生機制。
電子配對使超導量子態成為可能，這是一種零電阻的導電狀態，可用於核磁共振掃描儀和量子計算
在發表於《自然-物理學》（Nature Physics）的論文中，葉戈爾·巴巴耶夫教授及其合作者提出了費米子在鐵基材料Ba1−xKxFe2As2上的一系列實驗測量中增加為4倍的證據。早在近20年前，巴巴耶夫就首次預測了這種現象；而在8年前，他發表了一篇預測這種現象可能發生在這種材料中的論文。
電子配對使超導量子態成為可能，這是一種零電阻的導電狀態，可用於核磁共振掃描儀和量子計算。電子配對發生在物質內部，是兩個電子結合的結果，而不會像在真空中那樣相互排斥。利昂·庫珀、約翰·巴丁和約翰·施里弗最早對這一現象進行了理論描述，該研究成果——即BCS理論——使他們在1972年獲得了諾貝爾物理學獎。
簡單來說，所謂的庫珀對基本上就是“異性相吸”。通常情況下，兩個帶負電的電子會強烈排斥對方，但在低溫下，它們會鬆散地成對結合在一起，形成穩定的長程有序結構。電子對的電流不再因為晶格缺陷和阻礙而分散，導體也因此失去所有的電阻，成為一種新的物質狀態：超導體。一般而言，電子之間都有微小的引力，這使得電子的能量低於費米能時，電子就會結合在一起；這一能量降低的量級大約是1meV，而常規溫度對應的熱運動能量相對較大，因此庫珀對現象通常要在低溫下才會出現，即所謂的低溫超導。
研究者採用鐵基超導體材料Ba1−xKxFe2As2進行實驗測量
然而，BCS理論並不能成功解釋非常規超導體，或高溫超導的現象。直到最近幾年，四費米子凝聚態的理論思想才被廣泛接受。為了實現費米子的四倍狀態，就必須有某種東西阻止配對的凝聚及其無阻礙的流動，同時允許四電子複合材料的凝聚。
BCS理論中不允許這樣的情況出現，因此，當巴巴耶夫在德累斯頓工業大學的實驗合作者瓦迪姆·格林年科於2018年發現了費米子4倍凝聚的第一個跡象時，多年來普遍存在的科學共識便受到了挑戰。隨後，為了驗證這一發現，他們在多個機構的實驗室進行了長達三年的實驗和研究。
在這些研究中，最關鍵的是觀察到了費米子四重凝聚會自發地打破時間反演對稱性。在物理學中，時間反演對稱是一種數學運算手段，即在公式或方程中，用時間的負數來表達時間，從而描述時間反演或所有運動反演的事件。
如果在時間反演的情況下，物理的基本定律仍然成立，即物理系統保有對稱性，則可以稱為時間反演對稱。這也適用於典型的超導體：如果時間箭頭倒轉，典型的超導體仍然會保持相同的超導狀態。
然而，在四費米子凝聚的情況下，時間反演會使其處於不同的狀態，要完全理解這種狀態可能還需要很多年的研究。這些實驗提出了一些新的問題，揭示了與這種凝聚狀態對熱梯度、磁場和超聲波反應相關的其他一些不尋常的特性，還需要進一步理解這些特性。（任天）