物理学家提出一种探索稀有超导体表面奇异粒子的新理论方法
日本理化学研究所的两位物理学家提出了一种探索稀有超导体表面奇异粒子的新理论方法。在极低温度下，某些材料中的电子会表现出异常行为。两个或多个电子不再独立活动，而是配对在一起，作为一个整体一起移动。这种行为带来了一些非凡的性质。最著名的例子之一就是超导性，电子形成“库珀对”，在材料中自由穿行，且没有任何电阻。
图1：马约拉纳费米子的概念图，它本身也是反粒子。两位日本理化学研究所的物理学家预测，马约拉纳费米子对电磁波的多极响应提供了关于拓扑超导体中库珀对的信息。图片来源：© 2025 日本理化学研究所凝聚态理论实验室
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。
在传统超导体中，库珀对由电子和原子振动之间的相互作用产生，形成相对简单、对称的结构。
然而，在拓扑超导体中，库珀对表现出更为复杂的对称性。“这种对称性反过来又在材料表面产生了被称为马约拉纳费米子的特殊量子态，”山﨑解释道。
马约拉纳费米子由埃托雷·马约拉纳于 1937 年首次预测，是一种与其反粒子相同的粒子。
一对马约拉纳费米子出现在时间反转对称拓扑超导体的表面。它们被称为“时间反转对称”——也就是说，如果时间反转，它们的行为将保持不变。它们还具有随方向变化的电磁响应特征，称为马约拉纳多极响应。
但在一些特殊材料中，库珀对打破了这种时间反转对称性，使得马约拉纳费米子不再形成对。
山﨑说：“在时间反演对称性破缺的拓扑超导体中，边界上会出现一个马约拉纳费米子。由于它是电中性的，它不会与外界场相互作用。”
由于缺乏与场的相互作用，探测这些孤立的马约拉纳费米子变得十分困难。为了找到研究它们的方法，山﨑和小林从理论上将马约拉纳多极子响应的概念扩展到时间反演对称性破缺的拓扑超导体。
通过这种方式，他们展示了马约拉纳费米子的电磁响应如何能够洞察底层超导材料中库珀对的性质。
山﨑表示：“我们的研究已经确定了拓扑超导体中马约拉纳费米子的基本电磁特性。然而，还需要进一步研究，探索它们对实际物理量的影响，并建立检测这些影响的技术。”
编译自/ScitechDaily
