英国科学家揪出高温超导头号元凶，困扰物理学界40年谜团破解一半

电流在导线中奔跑时，总会遇到阻力，损耗大量能量。超导体却能让电流畅通无阻，零电阻地流动。

据估计，全球输电过程中有相当比例的电能白白损耗在线路上。如果能用超导材料输电，节约的能源将十分可观。

然而，高温超导为何能在相对较高的温度下出现，四十年来始终是凝聚态物理学最大的谜团之一。

英国布里斯托大学领衔的国际团队，近日在这一难题上取得重要突破。

这项研究汇聚了多国实验室的力量，尤其依赖欧洲强磁场设施提供的极端实验条件。

他们找到了一条关键线索，研究人员形容其为"冒烟的枪"，即确凿证据。

相关成果发表在国际期刊《自然·物理》上，参与研究的还有来自荷兰、中国和美国的科学家。

四十年悬案的来龙去脉

超导现象早在一百多年前就被发现，但传统超导体只有在接近绝对零度的极低温下才能工作。

上世纪80年代，科学家发现了铜氧化物超导体，其工作温度大幅提高，震惊了整个物理学界。

这一发现很快获得诺贝尔物理学奖，并掀起了全球范围的超导研究热潮。问题随之而来：这些材料为什么能在较高温度下超导？

传统超导体的原理已经比较清楚。电子借助晶格中离子的缓慢振动"结成对子"，从而实现零电阻。

这种"电子配对"被称为库珀对。结成对子的电子可以集体行动，在材料中畅行无阻。

可这种机制太"慢"，无法解释铜氧化物的高温超导，科学家推测其背后存在更快的相互作用。

其中最受关注的候选者，是电子自旋的涨落。自旋可以理解为电子自带的"小磁针"，它们的集体波动或许能把电子"撮合"在一起。

与晶格振动相比，自旋涨落的速度要快得多，理论上更有能力支撑较高温度下的电子配对。但几十年来，这一猜想始终缺乏直接、令人信服的证据。

物理学界围绕高温超导机制提出了多种理论，争论持续至今。缺乏决定性证据，是各方各执一词的重要原因。

一块"渐变"薄膜里的秘密

研究团队想出了一个巧妙的办法。他们制备了一种人工合成的镧铈铜氧化物薄膜，并沿着薄膜逐渐改变铈对镧的替代比例。

铈的加入会带来更多导电电子，于是在同一块样品上，不同位置拥有不同的超导临界温度。

这就像在一条长长的跑道上，从起点到终点逐渐改变路况，让研究人员一次性观察多种条件下的表现。

以往研究需要制备大量不同成分的样品，样品之间的差异会带来干扰。一块薄膜搞定一切，大大提高了比较的可靠性。

研究人员还利用光刻技术，在薄膜上沿线布置电极。这样，不同临界温度的区域就拥有相同的材料缺陷，排除了干扰因素。

随后，他们把薄膜送到位于荷兰的欧洲强磁场实验室，放入强大的磁体中。

强磁场是研究超导的重要工具。只有把超导"压下去"，才能看清材料在正常状态下的电阻行为，从而追溯超导的成因。

强磁场压制了超导状态，让研究人员能够在不同温度、磁场强度和临界点下，记录材料的电阻变化。

结果显示，电子会直接与涨落的电子自旋发生散射，这正是薄膜中电阻的主要来源。

更关键的是，这种自旋与电子相互作用的强弱，与薄膜各处的超导临界温度高度吻合。

换句话说，哪里的"自旋散射"更强，哪里的超导温度就更高。这种一一对应的关系，正是研究人员所说的"冒烟的枪"。

据此，团队得出结论：在这种材料中，正是自旋涨落导致了超导的出现。

还差"第二块拼图"

不过，研究人员并没有宣布谜团已被彻底解开。

论文共同第一作者、布里斯托大学物理学教授奈杰尔·赫西表示，他们找到的"冒烟的枪"只解决了方程的一部分。

原因在于，单靠自旋相互作用，无法解释最高的超导转变温度。

那些最高的临界温度，只出现在"空穴掺杂"型铜氧化物中，而此次研究的是"电子掺杂"型材料。

研究人员提出，在空穴掺杂一侧，可能还有另一个尚未识别的因素，与自旋涨落共同发挥作用。

这第二个因素究竟是什么，目前还是未知数。它可能与电荷的特殊排列或其他复杂的电子关联有关。

赫西表示，他们已经找到了第一个关键要素，接下来的任务是去寻找第二个。

科学探索往往就是这样，一个答案的出现，常常伴随着新问题的诞生。

回顾超导研究的百年历程，每一次重大进展都来自实验与理论的反复碰撞。这一次，也不例外。

一旦高温超导的机理被彻底弄清，科学家就可能有针对性地设计新材料，甚至找到室温超导体。

那将带来一场深刻的技术革命。磁共振成像设备将更便宜，输电线路将几乎没有损耗，超灵敏测量仪器也将更加普及。

当然，从机理突破到实际应用，仍有很长的路要走。

目前的高温超导材料大多是脆性陶瓷，加工困难，而且仍需液氮等低温环境。这些工程难题，同样需要逐一攻克。

但这把"冒烟的枪"，无疑让科学家离真相又近了一大步。