超导性使物理学看起来像魔术。在低温下，超导材料允许电流无限期流动，同时排出外部磁场，使其悬浮在磁铁上方。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。总有一天，超导电网可能会以前所未有的效率输送电力。
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括多种复杂结构的原子，这些原子在实验室中很难操作。当温度或压力突然变化，使超导体失去平衡时，更难研究会发生什么。
量子理论预测了超导体脱离平衡时的有趣行为。但在实验室中对这些材料进行扰动而不破坏其微妙的超导特性一直是一项挑战，这使得这些预测未经测试。
然而，科学家们可以通过在气体中使用完全可控的原子阵列来研究超导性，从而获得令人惊讶的深刻见解。这是美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所JILA的研究合作方法。
在他们的最新工作中，JILA的研究人员使锶原子气体像超导体一样发挥作用。尽管锶原子本身不是超导的，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相互作用，以保持超导性的相互作用，同时抑制其他竞争性的复杂相互作用。通过使原子脱离平衡，研究人员看到了原子相互作用的变化，这将影响实际超导体的性质。
通过锶气体作为“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《Nature》期刊上的研究为超导体在适当地脱离平衡时如何工作提供了新的见解，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特性。
“这些东西有多坚固？”
在正常材料中，电子以不相干的方式移动，不断地相互碰撞；通常情况下，电子相互排斥。当它们移动时，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丝中流动时电流会消散的原因。然而，在超导体中，电子结合成弱键对，称为库珀对。当这些对形成时，它们都倾向于连贯地移动，这就是为什么它们在材料中流动时没有阻力。
NIST和JILA研究员、理论物理学家Ana Maria Rey解释说，物理学在某种意义上很简单。库珀对以低能态存在，因为材料晶体结构中的振动将电子拉在一起。当形成时，库珀对更喜欢连贯一致地行动并锁定在一起。库珀对有点像“箭头”，希望在同一方向上排列。Rey解释说，要解锁它们或使其中一个箭头指向不同的方向，你需要添加额外的能量来打破库珀对。你需要添加的能量来解锁它们，这被称为能量缺口。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。克服这种能量差距会让库柏组合失去很多能量。因此，这个能隙起到了缓冲作用，让库珀对保持愉快的相位锁定。
当系统处于平衡状态时，这一切都会起作用。但是，当你引入一种突然、快速的变化时，超导体就会失去平衡，或者变得“淬火”。JILA物理学家James Thompson说，几十年来，科学家们一直想知道，在突然但强度不足以完全打破库珀对的淬火后，超导电性会发生什么。
Thompson说：“换句话说，这些东西有多坚固？”。
理论家们预测了超导体被淬火时可能发生的三种不同的可能性或阶段。Thompson说，把它想象成一大群广场舞者。起初，每个人都是同步的，紧跟着音乐的节拍。然后有些人有点累了，或者有些人开始移动得有点太快了，他们撞到了一起，然后变成了一个巨大的坑。这是第一阶段，超导电性崩溃。在第二阶段，舞者脱离节奏，但设法保持同步。超导性经受住了淬火。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，即系统的超导性随时间振荡。在这个阶段，我们的舞者有时会移动得更快或更慢，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”
Thompson在JILA激光器的团队与Rey的理论小组合作，将锶原子冷却并加载到光学腔中，光学腔的两端都有高反射镜。激光来回反弹数百万次，然后一些光从一端泄漏出去。
Rey解释说，空腔中的光介导了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——并像库珀对一样锁定相位。
使用激光，科学家们可以对系统进行淬火，并通过测量泄漏的光，了解能隙是如何随着时间的推移而变化的。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，在第三相，即使系统失去平衡，能隙也能保持超导性。使用这样的量子模拟器可以帮助科学家设计出非常规或更坚固的超导体，并更好地理解超导体的物理特性。
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，将原子相互作用，比如导致能量差距的相互作用，视为一种好处，而不是诅咒。
Rey说：“在测量科学中，相互作用通常是不好的。但在这里，当相互作用很强时，它们可以帮助你。间隙保护系统——一切都在流动。”。“在这个想法的核心，你可以有一些永远振荡的东西。”
Thompson补充道，拥有永远振荡的东西是量子技术的梦想，因为这将使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大坑或“去相位”。
Thompson说：“我很高兴我们观察到的一个动力学相位可以用来保护量子光学相干性不受去相位的影响。例如，这可能有一天会让光学原子钟运行得更长。”。“它代表了一种提高量子传感器精度和灵敏度的全新方式，这是量子计量学或测量科学的前沿课题。我们希望利用众多原子，利用相互作用构建更好的传感器。”
