研究人员观察到超导体铜酸盐中的“锁定”电子对

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自超导体被发现以来的一个世纪里，其神秘的原子特性一直让研究人员惊叹不已。这些特殊材料允许电流通过，且不会造成任何能量损失。它们甚至能让火车悬浮起来。
但超导体通常只能在极低的温度下工作。当这些材料被加热时，它们会变成普通导体，允许电流流动，但会损失一些能量；或者变成绝缘体，根本不导电。
研究人员一直在努力寻找能够在更高温度下发挥其魔力的超导材料——也许有一天甚至在室温下。寻找或制造这样的材料可能会改变现代技术，从电脑和手机到电网和交通。此外，超导体独特的量子态也使它们成为量子计算机的极佳构建块。
现在，研究人员发现，超导体的必要特性——电子配对——在比之前认为的要高得多的温度下发生，而且发生在人们最意想不到的材料中——反铁磁绝缘体。尽管这种材料的电阻并非为零，但这一发现表明，研究人员可能能够找到方法将类似的材料设计成在更高温度下工作的超导体。
来自斯坦福大学 SLAC 国家加速器实验室等机构的研究团队在《科学》杂志上发表了相关成果。
“电子对告诉我们，它们已经准备好实现超导，但某种东西阻止了它们，”斯坦福大学应用物理学研究生兼论文合著者徐克俊 (Ke-Jun Xu) 表示。“如果我们能找到一种同步电子对的新方法，我们就可以将其应用于构建更高温度的超导体。”
不同步的电子
在过去的 100 年里，研究人员已经对超导体的工作原理有了深入的了解。例如，我们知道，要使一种材料具有超导性，电子必须配对，而且这些配对必须是连贯的，也就是说，它们的运动必须同步。如果电子配对但不连贯，这种材料最终可能会成为绝缘体。
在超导体中，电子就像舞会上两个沉默寡言的人。一开始，两人都不想和对方跳舞。但后来 DJ 播放了一首两人都喜欢的歌曲，让他们放松下来。他们注意到彼此都喜欢这首歌，并从远处被吸引——他们已经配对但尚未变得融洽。
然后，DJ 播放了一首新歌，一首两个人都非常喜欢的歌。突然，两个人配对并开始跳舞。很快，舞会上的每个人都跟着他们一起跳舞：他们都聚在一起，开始随着同一首新曲调跳舞。此时，派对变得连贯起来；它处于超导状态。
在新的研究中，研究人员观察到处于中间阶段的电子，其中电子已经互相注视，但还没有起身跳舞。
铜酸盐行为异常
超导体被发现后不久，研究人员发现，使电子配对并舞动起来的是底层材料本身的振动。斯坦福大学教授、斯坦福材料与能源科学研究所 (SIMES) 研究员、这项研究的负责人沈志勋表示，这种电子配对发生在一种被称为传统超导体的材料中，这种材料已被充分理解。传统超导体在环境压力下工作时的温度通常接近绝对零度，低于 25 开尔文。
非常规超导体（如本研究中的氧化铜材料或铜酸盐）的工作温度要高得多，有时可达 130 开尔文。在铜酸盐中，人们普遍认为晶格振动以外的某种东西有助于电子配对。尽管研究人员不确定其背后的确切原因，但最有可能的原因是电子自旋波动，这会导致电子配对并以更高的角动量跳舞。
这种现象被称为波通道——大约三十年前，SSRL 的一项实验就发现了这种新状态的早期迹象。了解铜酸盐中电子配对的驱动因素有助于设计在较高温度下工作的超导体。
在这个项目中，科学家选择了一种尚未深入研究过的铜酸盐家族，因为与其他铜酸盐相比，它的最高超导温度相对较低——25开尔文。更糟糕的是，该家族的大多数成员都是良好的绝缘体。
为了观察铜酸盐的原子细节，研究人员将紫外线照射到材料样品上，从而将电子从材料中弹出。当电子被束缚时，它们对弹出的抵抗力略强，从而产生“能隙”。该能隙持续到 150 开尔文，这表明电子在比约 25 开尔文的零电阻状态高得多的温度下配对。这项研究最不寻常的发现是，在绝缘性最强的样品中，配对最强。
沈说，研究中的铜酸盐可能不是在室温（约 300 开尔文）下达到超导性的材料。“但也许在另一个超导材料家族中，我们可以利用这一知识来寻找更接近室温的线索，”他说。
“我们的发现开辟了一条潜在的新道路，”沈说。“我们计划在未来研究这种配对差距，以帮助使用新方法设计超导体。一方面，我们计划在 SSRL 使用类似的实验方法来进一步了解这种不连贯的配对状态。另一方面，我们希望找到操纵这些材料的方法，或许可以迫使这些不连贯的配对同步。”