麻省理工学院的物理学家生成了费米子对的第一个快照

当你的笔记本电脑或智能手机变热时，这是由于能量在转换过程中损失的。对于在城市之间传输电力的电力线来说也是如此。事实上，大约 10% 的发电量在电力传输中损失了。这是因为携带电荷的电子作为自由体，在通过电源线和传输线集体移动时会碰撞和掠过其他电子。所有这些推挤都会产生摩擦，并最终产生热量。

但当电子配对时，它们可以超越磨损并在没有摩擦的情况下滑过材料。这种“超导”行为发生在多种材料中，尽管是在超冷温度下。如果这些材料能够在接近室温的温度下实现超导，它们就可以为零损耗设备铺平道路，例如无热笔记本电脑和手机以及超高效电源线。但首先，科学家必须了解电子最初是如何配对的。

现在，原子云中粒子配对的新快照可以为超导材料中电子如何配对提供线索。这些快照由麻省理工学院的物理学家拍摄，是第一张直接捕捉费米子配对的图像，费米子是一类主要粒子，包括电子、质子、中子和某些类型的原子。

在这种情况下，麻省理工学院的团队在模拟某些超导材料中电子行为的条件下，使用钾 40 原子形式的费米子进行研究。他们开发了一种对钾 40 原子过冷云进行成像的技术，这使得他们能够观察配对的粒子，即使它们相隔很短的距离。他们还可以找出有趣的模式和行为，例如成对形成棋盘的方式，这些方式会受到路过的孤独单身人士的干扰。

今天在《科学》杂志上报道的观察结果 可以作为电子如何在超导材料中配对的视觉蓝图。研究结果还可能有助于描述中子如何配对以在中子星内形成高密度且搅动的超流体。

“费米子配对是超导性和核物理中许多现象的基础，”研究作者、麻省理工学院托马斯·A·弗兰克物理学教授马丁·兹维莱因 (Martin Zwierlein) 说。“但没有人在现场亲眼目睹过这一对。因此，最终在屏幕上忠实地看到这些图像真是令人叹为观止。”

该研究的共同作者包括 Thomas Hartke、Botond Oreg、Carter Turnbaugh 和 Ningyuan Jia，他们都是麻省理工学院物理系、麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心和电子研究实验室的成员。

一个不错的观点

直接观察电子配对是一项不可能完成的任务。它们太小且太快，无法用现有的成像技术捕获。为了理解它们的行为，像兹维尔莱因这样的物理学家研究了类似的原子系统。电子和某些原子尽管大小不同，但相似之处在于它们都是费米子——具有“半整数自旋”特性的粒子。当相反自旋的费米子相互作用时，它们可以配对，就像超导体中的电子以及气体云中的某些原子一样。

Zwierlein 的小组一直在研究钾 40 原子的行为，钾 40 原子是已知的费米子，可以在两种自旋态之一中制备。当一个自旋的钾原子与另一个自旋的原子相互作用时，它们可以形成一对，类似于超导电子。但在正常的室温条件下，原子之间的相互作用是模糊的，很难捕捉到。

为了更好地了解它们的行为，Zwierlein 和他的同事将这些粒子作为由约 1,000 个原子组成的非常稀薄的气体进行研究，并将其置于超冷、纳开尔文条件下，使原子缓慢爬行。研究人员还将气体包含在光学晶格或激光网格内，原子可以在其中跳跃，研究人员可以将其用作地图来精确定位原子的位置。

在他们的新研究中，该团队增强了 现有的费米子成像技术 ，使他们能够暂时将原子冻结在适当的位置，然后分别拍摄具有一种特定自旋或另一种自旋的钾 40 原子的快照。然后，研究人员可以将一种原子类型的图像叠加在另一种原子类型上，并查看这两种类型在何处配对以及如何配对。

“要达到真正拍摄这些图像的地步非常困难，”Zwierlein 说。“你可以想象一下，一开始你的成像中出现了大的洞，你的原子逃跑了，什么都不起作用。多年来，我们在实验室里解决了非常复杂的问题，学生们都有很强的耐力，最后，能够看到这些图像绝对令人兴奋。”

双人舞

研究小组看到的是哈伯德模型所预测的原子之间的配对行为——这是一种被广泛接受的理论，人们认为它们是高温超导体中电子行为的关键，这些材料在相对较高的温度下(尽管仍然很冷)表现出超导性。 )温度。对电子在这些材料中如何配对的预测已经通过这个模型进行了测试，但直到现在还没有直接观察到。

该团队对不同的原子云进行了数千次创建和成像，并将每个图像转换成类似于网格的数字化版本。每个网格都显示了两种类型原子的位置(在论文中用红色和蓝色表示)。从这些图中，他们能够看到网格中带有单独的红色或蓝色原子的方块，以及红色和蓝色原子在本地配对的方块(描绘为白色)，以及既不包含红色原子又不包含红色原子的空方块。或蓝色原子(黑色)。

个别图像已经显示出许多局部对，以及非常接近的红色和蓝色原子。通过分析数百张图像，研究小组可以证明原子确实成对出现，有时在一个正方形内紧密地连接在一起，有时形成较松散的对，由一个或几个网格间距隔开。这种物理分离或“非局部配对”是由哈伯德模型预测的，但从未被直接观察到。

研究人员还观察到，配对的集合似乎形成了一个更广泛的棋盘图案，并且当配对中的一个伙伴冒险走出其方格并暂时扭曲其他配对的棋盘时，这种图案会摇摆不定。这种被称为“极化子”的现象也曾被预测过，但从未被直接观测到。

“在这种动态的汤中，粒子不断地在彼此之上跳跃、移动，但彼此之间的距离永远不会太远，”Zwierlein 指出。

这些原子之间的配对行为也必须发生在超导电子中，Zwierlein 表示，该团队的新快照将有助于科学家们对高温超导体的理解，或许还可以深入了解如何将这些材料调整到更高、更实用的温度。 。

“如果你将我们的原子气体标准化为金属中的电子密度，我们认为这种配对行为应该发生在远高于室温的温度，”Zwierlein 说道。“这给了我们很大的希望和信心，即这种配对现象原则上可以在高温下发生，并且对于为什么有一天不应该出现室温超导体没有先验的限制。”