【大紀元2026年08月10日訊】（大紀元記者薛止墨編譯報導）在導體材料中，粒子之間的頻繁碰撞向來被視為阻礙電流運行的主因。然而，科學家最新研究發現，由粒子碰撞所引發的電阻率並不會無休止地攀升——在量子力學規則的支配下，它存在一個不可逾越的「極限上限」。
這項發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）的研究，由多倫多大學（University of Toronto）、巴黎高等師範學院（École Normale Supérieure）與賓州理海大學（Lehigh University）組成的跨國團隊共同完成。研究人員利用激光交織出的「光晶格」（Optical Lattice）困住接近絕對零度的超冷鉀原子，打造出一個高度可控的「量子模擬器」，藉此完美重現電子在固體晶格中穿梭與碰撞的微觀過程。
電阻率從何而來？為什麼這項發現很重要？
在傳統的金屬材料中，電子與電子之間的散射（碰撞）會散失電流的動能，並將能量轉化為廢熱。這種耗散效應不僅限制了電子元件的效能，更造成遠距離輸電網中高達8%的電力損失。
長期以來，凝聚態物理學家一直在探索：當電子間的交互作用極度劇烈時，碰撞帶來的電阻率是否會無限增加？
然而，真實固體材料結構複雜，雜質、晶格振動（聲子）等多重因素交織在一起，讓科學家極難單獨分離出「純粹由粒子碰撞」所產生的電阻率效應。
量子效應把原子「放大」了
為了破解這個難題，多倫多大學約瑟夫‧席維森（Joseph Thywissen）教授領導的研究團隊，選擇採用物理學的完美替代品——超冷氣態鉀原子。
研究人員將鉀原子冷卻至僅比絕對零度高出奈開爾文（nK）的極低溫環境，並利用交叉激光形成的「光晶格」將原子限制在網格狀的棋盤結構中。在這種極端受控的條件下，光晶格模擬了金屬內部的晶體周期位能，而鉀原子則完美扮演了「電子」的角色。
實驗中出現了一個驚人的量子現象：雖然這些鉀原子本身的物理尺寸僅有數奈米，但在強交互作用下，量子力學效應大幅增強了它們的「有效散射尺寸」。
席維森教授形象地比喻道：「這就像是一群鴨子在充滿氣泡的水中游泳，決定它們碰撞頻率的不再是鴨子本身的大小，而是包裹著牠們的大氣泡。」這種量子增強效應使得位於同一個晶格位點上的原子發生碰撞的機率劇增，進而顯著推高了系統的電阻率。
觸及量子天花板：電阻率飽和
更令人吃驚的是，當研究團隊調高磁場以進一步增強原子間的交互作用強度時，系統的電阻率上升趨勢卻突告停止，進入了一個穩定的「飽和平台」（Saturation）。
理論分析顯示，這種飽和現象源於量子力學中基本的散射單元性限制（Lattice Unitarity Bound）——當粒子碰撞的機率達到量子力學所允許的最大概率時，即使再持續加強粒子間的相互吸引或排斥力，單位時間內的動量散失速率也不再增加。
這意味著，低密度金屬中由電子碰撞引起的電阻率，受制於某種本徵的量子極限，絕不可能無限制增長。
窺探強關聯量子材料的全新視角
這項研究不僅為金屬材料中的微觀輸運機制（Microscopic transport mechanisms）提供了清晰的物理解釋，更展現了超冷原子量子模擬器在探索極端物質態上的強大威力。
「我們的實驗結果，為理解低密度金屬中的電阻率運作機制提供了明確的微觀圖像」，席維森教授總結道，「同時，這也為未來研究強關聯原子系統以及各類複雜量子材料（如高溫超導體、二維量子材料）打開了一扇全新的大門。」◇
責任編輯：李琳#
留言