这一发现可能增强创造在高温下工作的超导体的努力。
自一个世纪前出现以来，超导体及其神秘的原子行为一直吸引着科学家。这些杰出材料使电流在其中无能量损失地传递，甚至可以让火车悬浮。
然而，超导体通常只在极低温度下工作。当这些物质被加热时，它们变成普通导体，允许电流流动，但会有一定的能量损失，或者变成绝缘体，完全不导电。
科学家们一直在努力寻找能够在高温下发挥其独特功能的超导材料—未来甚至可能在室温下工作。发现或创造这样的材料可能会彻底改变现代科技，影响从计算机和移动设备到电网和交通等各个领域。此外，超导体的非凡量子状态使它们成为量子计算的理想候选者。
最近，研究人员发现超导体的一个关键特征—电子配对—发生在比以往假设的要高得多的温度，并且是在一种通常出乎意料的材料中：反铁磁绝缘体。虽然这种材料没有表现出零电阻，这一发现意味着科学家们可能能够将类似的材料工程化为在高温下运作的超导体。来自SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学及其他机构的研究小组于8月15日在《科学》杂志上分享了他们的发现。
“电子对表明它们准备超导，但有些东西阻止了它们，”斯坦福大学应用物理研究生、论文共同作者徐可军解释道。“如果我们能找到一种新方法来同步这些电子对，我们可能能够开发出在更高温度下工作的超导体。”
电子不同步
在过去的一个世纪里，科学家们对超导体的功能有了广泛的洞察。已知为了使材料成为超导体，电子必须配对，这些配对必须具有相干性，意味着它们的运动应该是同步的。如果电子配对但缺乏相干性，材料可能表现得像一个绝缘体。
在超导体中，电子之间的相互作用类似于跳舞中的两个害羞的人。起初，两人都不愿意和对方跳舞。然后，一首他们都喜欢的歌曲响起，缓解了他们的紧张。他们开始从远处注意到对方，并建立了一种联系——他们配对了，但尚未同步。
一旦DJ播放了一首他们都无法抗拒的歌曲，他们就成了一对，开始跳舞。很快，现场的每个人都跟着他们的节奏，相聚在一起享受同一节拍。这个时刻标志着向同步状态的转变，象征着超导性。
在最新的研究中，研究人员识别出一种阶段，电子已经互动，但还没有准备好跳舞。
铜酸盐的异常行为
在超导体首次被发现后不久，科学家发现材料内部的振动有助于超导所需的电子配对。根据参与该研究的斯坦福教授、SLAC材料与能源科学研究所（SIMES）主任沈志勋的说法，这种类型的电子配对在传统超导体中是典型的，并且这些传统超导体得到了很好的理解。传统超导体通常在接近绝对零度的情况下工作，约为25开尔文，且在正常压力条件下。
另一方面，非传统超导体—如铜酸盐，这项研究的重点—则在显著更高的温度下工作，有时可达到130开尔文。在铜酸盐中，据信，除了晶格振动之外，还有其他因素促进电子配对。尽管确切的过程仍不清楚，但一种主要理论涉及波动电子自旋，使电子能够以增强的角动量形成配对。这种现象被称为波动通道，早在三十年前的SSRL实验中就观察到了这种独特状态的早期证据。深入了解铜酸盐中的电子配对可能有助于制造在高温下工作的超导体。
在这项研究中，科学家检查了一种之前未被充分研究的铜酸盐家族，因为其最高超导温度相对较低—只有25开尔文—与其他铜酸盐相比。此外，这组中的许多成员表现为有效的绝缘体。为了分析铜酸盐的原子特性，研究人员用紫外光照射材料样本，从样本中弹出电子。当电子结合时，它们对逸出表现出稍微更大的阻力，从而形成“能量间隙”。这种能量间隙在150开尔文时仍然显著，表明电子在显著高于25开尔文的零电阻条件下配对。 有趣的是，这项研究发现电子配对在最绝缘的样本中最为明显。
虽然本研究中的铜酸盐可能并不会直接导致室温超导（约300开尔文），沈表示：“也许我们可以利用这些知识与另一类超导体合作，逐步接近室温。”
沈补充道：“我们的结果为一个有希望的未来铺平了道路。我们打算进一步研究这种配对间隙，以帮助通过新技术工程化超导体。我们将继续在SSRL利用类似的实验方法，深入理解这一非相干配对状态。此外，我们还希望探索操控这些材料的方法，以促进这些非相干配对之间的同步。”
这项研究部分得到美国能源部科学办公室的资助。SSRL作为美国能源部科学办公室的用户设施服务。
