导读 超导性使物理学看起来像魔法。在寒冷的温度下，超导材料允许电流无限地流动，同时排出外部磁场，使它们悬浮在磁铁上方。核磁共振成像、磁悬...

超导性使物理学看起来像魔法。在寒冷的温度下，超导材料允许电流无限地流动，同时排出外部磁场，使它们悬浮在磁铁上方。核磁共振成像、磁悬浮列车和高能粒子加速器都使用超导性，超导性在量子计算、量子传感器和量子测量科学中也发挥着至关重要的作用。有一天，超导电网可能会以前所未有的效率提供电力。

然而科学家们缺乏对传统超导体的完全控制。这些固体材料通常包含多种结构复杂的原子，难以在实验室中操纵。研究当突然发生变化时会发生什么，例如温度或压力的峰值，使超导体失去平衡，就更难了。

量子理论预测了超导体失去平衡时会出现的有趣行为。但在实验室中干扰这些材料而不破坏其微妙的超导特性一直是一项挑战，因此这些预测未经检验。

然而，通过研究气体中完全可控的原子阵列，科学家们可以对超导性获得令人惊讶的深刻见解。这就是JILA的研究合作方法，JILA是美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所。

在他们的最新工作中，JILA研究人员使锶原子气体表现得像超导体。尽管锶原子本身不具有超导性，但它们遵循相同的量子物理规则。研究人员可以使气体中的原子以一种保留导致超导性的相互作用的方式相互作用，同时抑制其他竞争性的复杂相互作用。通过使原子失去平衡，研究人员发现原子相互作用的变化会影响实际超导体的特性。

利用锶气体作为“量子模拟器”，研究人员能够观察到超导体的行为，这种行为已被预测存在多年。这项发表在《自然》杂志上的研究提供了关于超导体在适当脱离平衡时如何工作的新见解，并揭示了如何使超导体更加坚固，以及如何在其他量子技术中使用其独特的性质。

“这些东西有多坚固?”

在普通材料中，电子以不相干的方式移动，不断地相互碰撞。通常，电子相互排斥。当它们移动时，它们会发生碰撞，失去能量并产生热量;这就是为什么当电子在金属线中流动时电流会消散。然而，在超导体中，电子结合成弱键合对，称为库珀对。当这些对形成时，它们都倾向于一致地移动，这就是它们毫无阻力地流过材料的原因。

NIST和JILA研究员、理论物理学家AnaMariaRey解释说，从某种意义上来说，物理学很简单。库珀对以低能状态存在，因为材料晶体结构的振动将电子拉到一起。当形成时，库珀对更喜欢一致行动并锁定在一起。库珀对有点像“箭头”，想要朝同一方向排列。雷伊解释说，要解锁它们或使其中一个箭头指向不同的方向，您需要添加额外的能量来打破库珀对。解锁它们所需添加的能量称为能隙。原子之间更强的相互作用会产生更大的能隙，因为保持库珀对锁定的吸引力非常强。克服这个能隙会消耗库珀对的大量能量。因此，这个能隙起到了缓冲器的作用，让库珀对保持愉快的同相锁定。

当系统处于平衡状态时，这一切都会起作用。但当你引入突然、快速的变化时，超导体就会失去平衡，或者变得“猝灭”。JILA物理学家詹姆斯·汤普森(JamesThompson)表示，几十年来，科学家们一直想知道，突然但又不足以完全打破库珀对的失超后，超导性会发生什么变化。

“换句话来说，这些东西的坚固程度如何?”汤普森说。

理论学家预测了超导体失超时可能发生的三种不同的可能性或阶段。汤普森说，把它想象成一大群广场舞者。一开始每个人都同步，跟上音乐的节拍。然后有些人有点累了，或者有些人开始移动得太快，他们互相碰撞，然后就变成了一个狂欢坑。这是第一阶段，超导性崩溃。在第二阶段，舞者们失去节奏，但设法保持同步。超导性在失超后仍然存在。科学家们已经能够观察和研究这两个阶段。

但他们从未见过长期预测的第三阶段，即系统的超导性随着时间的推移而振荡。在这一阶段，我们的舞者有时会移动得快一点或慢一点，但没有人崩溃。这意味着有时它是较弱的超导体，有时它是较强的超导体。到目前为止，还没有人能够观察到第三阶段。

“一切都在流动”

JILA的Thompson团队与Rey的理论小组合作，将锶原子激光冷却并装入光学腔中，该空间两端都有高反射镜。激光会来回反射数百万次，然后一些光会从一端泄漏出来。

雷伊解释说，空腔中的光介导原子之间的相互作用，使它们排列成叠加态——这意味着它们同时处于激发态和基态——并锁定相位，就像库珀对一样。

使用激光，科学家可以淬灭系统，并通过测量泄漏的光，他们了解能隙如何随时间变化。通过这种量子超导体模拟，他们首次能够观察到所有三个动态相。

他们发现，在第三阶段，即使系统失去平衡，能隙也可以保持超导性。使用这样的量子模拟器可以帮助科学家设计非常规或更坚固的超导体，并更好地理解超导体的物理原理。

对于从事测量科学工作的科学家来说，这也是一种违反直觉的方式，他们将原子相互作用(例如导致能隙的原子相互作用)视为一种好处，而不是一种诅咒。

“在测量科学中，相互作用通常是不好的。但在这里，当互动很强时，它们可以帮助你。这个间隙可以保护系统——一切都在流动，”雷伊说。“这个想法的核心是你可以拥有永远振荡的东西。”

汤普森补充说，拥有永远振荡的东西是量子技术的梦想，因为它可以让传感器更好地工作更长时间。就像超导体一样，量子传感器中的原子、光子和电子组需要保持同步或相干才能工作，我们不希望它们变成量子莫什坑或“相移”。

“令我兴奋的是，我们观察到的动态相位之一可以用来保护量子光​​学相干性免于失相。例如，有一天这可能会让光学原子钟走得更久，”汤普森说。“它代表了一种提高量子传感器精度和灵敏度的全新方法，这是量子计量学或测量科学的前沿课题。我们希望利用许多原子并利用相互作用来构建更好的传感器。”

论文：DylanJ.Young等人。在腔QED模拟器中观察BCS超导体的动态相位。自然。在线发布，2024年1月24日。DOI：10.1038/s41586-023-06911-x