2026年4月15日——科学家首次直接拍摄到超导现象背后的量子过程。该现象中，电子在足够低温下配对形成无电阻电流。实验结果却与预期大相径庭。

这项发表于《物理评论快报》的研究中，研究人员将一种特殊气体冷却至接近绝对零度（-273.15℃的极限低温），首次直接拍摄到单个原子配对过程。这种被称为费米气体的体系，让科学家能用原子替代电子，以可控方式探索超导体物理机制。

令人惊讶的是，原子配对后会进行同步“舞蹈”，其位置受其他原子对影响——这一现象并未出现在已有70年历史、曾获诺贝尔奖的超导理论预测中。“我们的实验表明该理论存在定性缺失，”巴黎法国国家科研中心（CNRS）卡斯特勒·布罗塞尔实验室的实验负责人塔里克·耶夫萨表示。耶夫萨与CNRS的实验物理学家们，同西蒙斯基金会Flatiron研究所的理论物理学家张世伟等合作完成了这项研究。

该发现为超导基础理论增添了关键细节，或将助力室温超导体这一现代物理学圣杯的探索。实现室温超导将带来超高效率电网与电子设备。

超导通常发生在特殊金属的极低温状态下（远低于地球自然低温）。当温度低于临界值时，电子会像舞厅中的舞伴般量子配对，导致电阻骤降至零。这一基本物理机制由美国物理学家巴丁、库珀和施里弗在1950年代提出（BCS理论）。

但BCS理论仅是近似框架，无法解释所有超导现象。物理学家们数十年来始终未能确定理论缺失的具体环节。“BCS理论说明超导源于电子配对倾向，”Flatiron研究所计算量子物理中心主任张世伟解释，“但这是粗糙理论，未涉及配对间相互作用。”该理论假设超导体中电子对独立分布，某处发现电子对的概率与邻近电子对存在与否无关。

新研究中，CNRS实验物理学家与计算量子物理中心理论物理学家合作探究了电子对关联机制。通过新型成像技术，实验团队拍摄到锂原子对在绝对零度以上十亿分之一摄氏度的相对位置。这些作为费米子的原子，遵循与超导电子相同的配对物理规律。

成像显示原子对位置会相互影响，就像舞厅中舞伴间保持距离。耶夫萨比喻道：“BCS理论如同在舞厅外观测，能听见音乐看见舞者进出，却不知内部情况。我们的方法像在舞厅内安装广角镜头，现在能看清舞伴如何配对并相互避让。”

张世伟与中国西北大学现代物理研究所的贺媛媛博士通过量子力学数值模拟验证了实验结果。模拟不仅重现实验现象，更揭示了BCS理论缺失的“舞者间距”等细节。

该发现深化了科学家对费米子量子材料的基本认知。基础物理的此类突破对开发变革性高温超导体至关重要。1980年代科学家在金属合金中发现的高温超导体（液氮温区，约-196℃），其机制至今未明。更深入理解超导物理，有望实现日常环境下的超导应用，彻底改变电网与超算效率。

“通过理解简单系统，我们能优化工具研究更复杂体系，”张世伟指出，“而复杂系统正是新物相的来源，历史上诸多技术突破皆源于此。”