物理學家提出一種探索稀有超導體表面奇異粒子的新理論方法
日本理化學研究所的兩位物理學家提出了一種探索稀有超導體表面奇異粒子的新理論方法。在極低溫下，某些材料中的電子會表現出異常行為。兩個或多個電子不再獨立活動，而是配對在一起，作為一個整體一起移動。這種行為帶來了一些非凡的性質。最著名的例子之一是超導性，電子形成“庫珀對”，在材料中自由穿行，且沒有任何電阻。
圖1：馬約拉納費米子的概念圖，它本身也是反粒子。兩位日本理化學研究所的物理學家預測，馬約拉納費米子對電磁波的多極響應提供了關於拓樸超導體中庫柏對的資訊。圖片來源：© 2025 日本理化學研究所凝聚態理論實驗室
日本理化学研究所凝聚态理论实验室的山﨑友紀和日本理化学研究所新兴物质科学中心的小林慎吾现在提出了一种方法来研究一种特别有趣的超导形式中的库珀对：拓扑超导体，这是一类最近才发现的材料。
在傳統超導體中，庫柏對由電子和原子振動之間的相互作用產生，形成相對簡單、對稱的結構。
然而，在拓樸超導體中，庫柏對錶現出更為複雜的對稱性。 「這種對稱性反過來又在材料表面產生了被稱為馬約拉納費米子的特殊量子態，」山﨑解釋。
馬約拉納費米子由埃托雷·馬約拉納於1937 年首次預測，是一種與其反粒子相同的粒子。
一對馬約拉納費米子出現在時間反轉對稱拓樸超導體的表面。它們被稱為「時間反轉對稱」——也就是說，如果時間反轉，它們的行為將保持不變。它們還具有隨方向變化的電磁響應特徵，稱為馬約拉納多極響應。
但在一些特殊材料中，庫柏對打破了這種時間反轉對稱性，使得馬約拉納費米子不再形成對。
山﨑說：“在時間反演對稱性破缺的拓撲超導體中，邊界上會出現一個馬約拉納費米子。由於它是電中性的，它不會與外界場相互作用。”
由於缺乏與場的相互作用，探測這些孤立的馬約拉納費米子變得十分困難。為了找到研究它們的方法，山﨑和小林從理論上將馬約拉納多極子響應的概念擴展到時間反演對稱性破缺的拓樸超導體。
透過這種方式，他們展示了馬約拉納費米子的電磁響應如何能夠洞察底層超導材料中庫柏對的性質。
山﨑表示：“我們的研究已經確定了拓撲超導體中馬約拉納費米子的基本電磁特性。然而，還需要進一步研究，探索它們對實際物理量的影響，並建立檢測這些影響的技術。”
編譯自/ ScitechDaily