YPtBi晶体配合物中的未成对电子形成高自旋对，使该材料具有超导性。来源：Emily Edwards（美国马里兰大学）
当你接通电源或者按下电灯开关的一瞬间，导线中便会立即产生电流，我们将正电荷定向移动的方向规定为电流的方向，导线中自由电子移动方向和电流方向完全相反。电子定向运动形成电流， “电流的速度”即“电场传播速度”正常情况下等于光速，而电子运动速度相对较慢。电子在传导的过程中，容易和原子发生碰撞，释放能量。
电子移动速度取决于材料的导电性。环境可以影响电导率，如：当某些材料温度降低到超低温时，材料电阻会突然减小到零，电子有序无阻地流动且该过程不发生能量损耗。这就是超导现象。
来自马里兰大学（UMD）物理系的一组研究人员与其团队，发现了一种依赖于电子间相互作用的超导电性。虽然这有可能存在于其它非物质系统（物理中非物质概念：本身不具有任何物质性如时间、空间），但仍很难解释电子的这一相互作用。2018年4月6日，该小组在《Science Advances》杂志上发表了该成果，揭示了不同于以往的超导性。
超导体中的电子相互作用是由自旋的量子性质决定的。在一个普通的超导体，电子的自旋量子数是½，电子成对关联，电流无阻流动。这一理论被广泛应用在大多数超导体中。在这项新的研究中，团队发现超导材料YPtBi中的电子自旋量子数为3⁄2。
“从来没有人认为，在固体材料中电子会以这种方式自旋，” 马里兰大学物理教授兼本研究主要作者Johnpierre Paglione解释说，“单个原子保持高自旋态是可能的，但是一旦你将原子放入固体中，这一状态便会改变——原子自旋状态变为1⁄2。”
最初，发现YPtBi是一个超导体时让研究者感到诧异。大多数性能优良的超导体中存在很多能自由移动的电子，而YPtBi晶体却很少有自由移动的电子。根据传统理论，YPtBi大约需要1000倍的移动电子才能在低于0.8开尔文的温度下成为超导体。而在实验中，当材料温度降低到0.8开尔文时，研究小组却发现材料存在超导现象。
在发现超导体反常的转变后，研究人员测量并探索了电子配对情况。他们研究了超导体的一个特征，即电子与磁场的相互作用。当材料过渡到超导态时，材料从内部释放磁场，以排斥外部施加磁场，但排斥作用不能完全抵消外部磁场。外部磁场仍能通过材料表面进入材料内部，随后迅速衰减。外部磁场衰减快慢取决于电子对的性质和材料的冷却温度。
为了探讨这种影响因素，在不同的温度下，研究者将材料放在比地球磁场弱十分之一的磁场中。围绕着样品的铜线圈检测到了超导体的磁性，使研究小组能够灵敏地测量出超导中磁场的变化。
测量结果显示出一种不同以往的磁干扰现象。YPtBi材料在绝对零度（约为-273.15度）下，磁通量穿透度呈线性增长趋势，而不是像传统超导体那样呈指数增长。结合其它测量手段和理论计算，该作用限制了电子的成对方式。研究人员认为YPtBi材料超导电性的最合理的解释是电子可能转变成了高自旋状态。而这种可能性在传统的超导材料导电理论框架中甚至从未提过。
这种高自旋超导体的发现为这一研究领域提供了新的方向。“过去，我们研究超导体一直受到电子的自旋量子数是½的理论限制，” Hyunsoo Kim作为文章的第一作者和马里兰大学该领域的专家说，“但是如果我们考虑更高的自旋，那么超导研究的范围就会扩大，研究也会变得更加有趣。”
目前，许多后续问题仍然需要解决，包括这种配对首先可能发生的情况。“比如当电子高自旋配对时，是什么让两个电子连在一起？”Paglione说。“虽然现在有了一些想法，但一些根本性的问题仍然需要解决，需要人们更深入地讨论，这也许就是科学的魅力所在吧。”
文章来自phys
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