超導性是指材料在低於某個臨界溫度時完全失去電阻的現象，BCS理論透過提出庫珀對的形成(兩個動量相反的電子的束縛態)巧妙地解釋了這一現象。在傳統的BCS超導體中，超導性在熱平衡時出現。當系統的參數突然改變時，也可以在非平衡狀態下出現超導性，導致動態相的產生。然而，在材料中直接觀察這些對的動態相是一個重大的挑戰。最近，發表在【自然】雜誌的一篇論文，提出了在腔體量子電動力學(QED)模擬器中觀察BCS超導體的動態相的方法。
BCS理論的魅力在於它能夠描述由材料中晶格振動(聲子)介導的吸引交互作用產生的超導性。通常被同種電荷排斥的電子，由於這種聲子介導的交互作用，可以克服這種排斥並形成庫伯對。然而，這種協同現象本質上是復雜的，根據溫度和交互作用強度等因素表現出不同的動態相。這些相體現在超導序參數的行為中，這是衡量庫珀對相幹性的尺度。
傳統上，在真實材料中研究這些相一直很困難。材料性質和復雜的電子交互作用交織在一起，使得隔離和控制超導性的特定機制具有挑戰性。在這裏，腔體QED模擬器提供了一種強大的替代方案。
這些模擬器背後的核心思想是透過操縱光與物質的交互作用來實作精妙的控制。研究人員利用被困在光學腔內的冷原子群，光學腔是一種精心設計的限制光的腔。這些原子在BCS中扮演「模擬電子」的角色。它們的內部狀態代表了可用的電子配置，它們的交互作用是透過它們與腔模式(腔內特定的電磁場配置)的耦合來設計的。
這種光-物質耦合允許產生有效的庫珀對。透過仔細調整空腔參數和原子之間的交互作用，研究人員可以模擬電子在真實超導體中所經歷的吸重力。這為探索迷人的BCS動態世界鋪平了道路。
研究人員設計了一個細致的實驗來探測在BCS框架內預測的所有三個動態相。相 I（正常態）：在這個相，原子表現得像獨立的粒子，沒有庫珀對形成。相 II（破缺對稱態）：這個相標誌著超導性的出現，其特征是非零序參數。相 III（具有破缺準粒子色散的超導態）：這個復雜相表現出交互作用和粒子運動之間更復雜的交互作用。
操縱交互作用強度和腔內原子單粒子能量分布的能力使研究人員能夠有效地探索模擬超導體的相圖。他們使用「淬火」來觸發系統從一個相演化到另一個相。透過使用非破壞性測量技術，他們可以跟蹤序參數的即時動態，提供系統對淬火的響應的直接觀察。
實驗結果對 BCS 不同相的理論預測提供了顯著的驗證。觀察到的模擬庫珀對的行為與真實超導體中預期的行為非常接近。此外，該研究揭示了相 II 短時動態中的有趣「希格斯類」行為，闡明了超導性的一個基本方面。
這項研究的成功為許多令人興奮的可能性開啟了大門。透過利用腔體 QED 模擬器的高可控性，科學家現在可以深入探討 BCS 相圖的未知領域。這包括研究超導性和其他現象（如磁性或拓撲激發）之間的復雜交互作用。此外，腔體 QED 模擬器可以客製以探索超出 BCS 框架的非常規超導機制。
