麻省理工学院的研究人员发现了一种全新的机制，使超导体硒化铁转变为超导态。与其他基于铁的超导体不同，硒化铁的转变涉及到原子轨道能量的集体移位，而非原子自旋。这一突破为发现非传统超导体打开了新的可能性。

在某些条件下——通常是极度的寒冷环境下——一些材料会改变它们的结构，以释放出新的超导行为。这种结构性转变被称为“向列相转变”，物理学家们怀疑它提供了一种将材料推入超导状态的新途径，使电子能够完全无摩擦地流动。

然而，究竟是什么驱动了这个转变的首要因素呢？这个答案可以帮助科学家改进现有的超导体，并发现新的超导体材料。

现在，麻省理工学院的物理学家们已经确定了一类超导体发生向列转变的关键，而这一关键与许多科学家先前认为的惊人不同。

物理学家们通过研究硒化铁（FeSe），这一具有二维结构的材料，进行了他们的发现。该材料是最高温度下的基于铁的超导体。已知该材料在接近零下300华氏度的温度下转变为超导态。尽管仍处于极低温状态，但这一转变温度已超过大部分超导材料的转变温度。

温度越高，一种材料展现超导性的能力就越有前途，例如实现用于更精准和轻巧的MRI机器或高速磁悬浮列车的强大电磁铁。

为了这种及其他可能性，科学家首先需要了解是什么推动了高温超导体如硒化铁中向向列型液晶转变的过程。在其他铁基超导材料中，科学家观察到当个别原子突然将其磁自旋朝向统一的、特定的磁方向转变时，这种转变就会发生。

但是，麻省理工学院的团队发现，硒化铁通过一种全新的机制进行转变。与进行协调的自旋转变不同，硒化铁中的原子经历了轨道能量的集体转变。这是一个微妙的区别，但它打开了发现非常规超导体的新大门。

“关于导致向列性的共识，我们的研究有所改变。”麻省理工学院物理系职业发展副教授Riccardo Comin表示，“实现非传统超导态有许多途径，而这提供了一个额外的途径。”

Comin和他的同事于6月22日在《自然材料》期刊发表了他们的研究成果。麻省理工学院的共同作者包括Connor Occhialini、Shua Sanchez和Qian Song，还有阿贡国家实验室的Gilberto Fabbris、Yongseong Choi、Jong-Woo Kim和Philip Ryan。

磁序线

“nematicity”一词源自希腊词“nema”，意为“线”——例如，描述线虫的线状身体。Nematicity也用来描述概念性的线。例如，在液晶研究中，当分子以协调的排列形成线状时，可以观察到nematic行为。

近年来，物理学家们使用向列性来描述一种协调的转变，将材料推向超导态。电子之间的强相互作用导致整个材料微小地延伸，就像是微观的太妃糖，朝着特定的方向延伸，以便电子可以在该方向上自由流动。一个重要的问题是，是什么样的相互作用导致了这种延伸。在一些基于铁的材料中，这种延伸似乎是由于原子自发地改变其磁自旋方向。因此，科学家们假设大多数基于铁的超导体都经历了相同的、由自旋驱动的转变。

然而，铁硒化物似乎不遵循这种趋势。这种物质在所有基于铁的材料中以最高的温度转变为超导态，同时似乎也没有任何协调的磁性行为。

“铁硒化物在这些材料中完全没有磁序，”麻省理工学院博士后和NSF MPS-Ascend学者桑切斯表示。“因此，理解向列现象的起源需要非常仔细地观察电子如何在铁原子周围排列，并且在这些原子拉开时发生了什么。”

超连续光

在他们的新研究中，研究人员使用了超薄且长度为毫米的铁硒样品，并将其粘贴在一条薄钛条上。他们通过物理上拉伸钛条来模拟在向列向向列转变过程中所发生的结构性拉伸，从而进一步拉伸了铁硒样品。当他们以每个微米的微小幅度拉伸样品时，会寻找任何以协调方式发生位移的特性。

利用超亮X射线，研究团队追踪了每个样品中原子的运动方式，以及每个原子的电子行为。在某一点后，他们观察到原子的轨道发生了明显的协调性转变。原子轨道本质上是一个原子的电子可以占据的能级。在硒化铁中，电子可以占据铁原子周围的两种轨道状态之一。通常情况下，选择占据哪一种状态是随机的。但是，该团队发现，当他们拉伸硒化铁时，其电子开始非常偏好其中一种轨道状态。这表明了明显的协调转变，以及一种新的自组织性和超导机制。

“我们展示了自旋与轨道向性在基础物理方面存在着不同，而且将会存在一系列从两者之间过渡的材料，”麻省理工学院的研究生奥奇亚利尼表示。“在寻找新型超导体方面，理解自己在这个领域的位置将会非常重要。”