科学家让电子在更高温度下配对 用超导能力实现量子飞跃

超导体及其神秘的原子特性自发现以来的一个世纪里一直令研究人员叹为观止。这些特殊的材料可以让电流通过它们而不损失任何能量。它们甚至能让火车悬浮起来。但超导体通常只能在极冷的温度下工作。当这些材料被加热时，它们就会变成普通导体（允许电流流动，但会损失一些能量）或绝缘体（完全不导电）。

这是一幅表示电子如何在超导材料中锁定在一起的图画。资料来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

研究人员一直在努力寻找能在更高温度下--也许有一天甚至能在室温下--施展魔法的超导体材料。找到或制造出这样的材料可能会改变现代科技，从计算机和手机到电网和交通。此外，超导体独特的量子态也使其成为量子计算机的绝佳构件。

现在，研究人员观察到，超导体的一个必要特性--电子配对会在比以前想象的要高得多的温度下发生，而且是在一种人们最不希望发生的材料--反铁磁性绝缘体中发生。尽管这种材料的电阻值并不为零，但这一发现表明，研究人员或许能够找到方法，将类似材料改造成在更高温度下工作的超导体。来自SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和其他机构的研究小组于8月15日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。

"电子对告诉我们，它们已经做好了超导的准备，但有些东西阻止了它们，"斯坦福大学应用物理学研究生、论文共同作者徐克俊说。"如果我们能找到一种使电子对同步的新方法，我们就有可能将其应用于建造温度更高的超导体"。

在过去的 100 年中，研究人员对超导体的工作原理有了很多了解。例如，我们知道，要使材料超导，电子必须配对，而且这些电子对必须是相干的，即它们的运动必须同步。如果电子配对但不连贯，材料最终可能成为绝缘体。

在超导体中，电子就像舞会上两个沉默寡言的人。一开始，两个人都不想和对方跳舞。但随后 DJ 播放了一首两人都喜欢的歌曲，让他们放松下来。他们注意到彼此都很喜欢这首歌，于是远远地就被吸引住了--他们已经配对，但还没有融为一体。

然后，DJ 播放了一首两人都非常喜欢的新歌。突然，两个人结伴开始跳舞。很快，舞会上的每个人都跟着他们跳了起来：他们都走到一起，开始随着同一首新歌跳舞。此时，舞会变得连贯起来，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，在这一阶段中，电子已经对视，但并没有起身跳舞。

这是超导材料中两个电子从不同步到同步的图画。资料来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

在超导体首次被发现后不久，研究人员发现，让电子配对跳舞的是底层材料本身的振动。斯坦福大学教授、SLAC 的斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）研究员沈志勋（Zhi-Xun Shen）说，这种电子配对发生在一类被称为传统超导体的材料中，这种材料已被人们充分了解。传统超导体通常在接近绝对零度（低于25开尔文）的环境压力下工作。

非常规超导体（如本次研究中的氧化铜材料或铜酸盐）的工作温度要高得多，有时可高达 130 开尔文。人们普遍认为，在铜氧化物中，除了晶格振动之外，还有其他因素帮助电子配对。尽管研究人员并不确定其背后的确切原因，但主要的候选原因是电子自旋的波动，这种波动会导致电子配对，并以更大的角动量跳舞。这种现象被称为"wave channel"--大约三十年前，SSRL 的一项实验中就出现了这种新状态的早期迹象。了解铜氧化物中电子配对的驱动因素有助于设计在更高温度下工作的超导体。

在这个项目中，科学家们选择了一个尚未深入研究过的铜氧化物家族，因为与其他铜氧化物相比，它的最高超导温度相对较低--25 开尔文。更糟糕的是，这个家族的大多数成员都是良好的绝缘体。为了观察铜氧化物的原子细节，研究人员用紫外线照射材料样品，使电子从材料中射出。当电子被束缚时，它们对被射出的阻力会稍大一些，从而产生"能隙"。这种能隙一直持续到 150 开尔文，表明电子配对的温度远高于约 25 开尔文的零电阻状态。这项研究最不寻常的发现是，在绝缘性最强的样品中，电子的配对作用最强。

这项研究中的铜氧化物可能不是在室温（约300开尔文）下达到超导性的材料。沈说："但也许在另一个超导体材料家族中，我们可以利用这些知识来提示如何更接近室温。我们的发现开辟了一条潜在的丰富的新道路，未来研究会这种配对间隙，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，进一步深入了解这种不相干的配对状态。另一方面，我们希望找到操纵这些材料的方法，或许能迫使这些非相干配对同步。"

编译自/ScitechDaily