超导体以能够实现无损耗导电和甚至磁悬浮而著称，但通常只能在极低的温度下工作。最近的研究在比预期温度更高的材料中发现了电子配对，这是一种核心的超导体行为，例如反铁磁性绝缘体。
SLAC和斯坦福大学研究人员的这一发现可能会带来新的方法来开发在更接近室温下工作的超导体，从而有可能在许多领域，包括量子计算和交通运输方面，带来技术的革命。
探索超导体的奥秘
自发现以来的过去一个世纪里，超导体及其神秘的原子特性让研究人员惊叹不已。这些特殊材料允许电流无能量损失地流过。它们甚至可以让火车悬浮。
但超导体通常只在极低的温度下工作。当这些材料被加热时，它们就会变成普通导体，允许电流通过但会损失一些能量，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作用的超导材料——也许有一天甚至能在室温下发挥作用。找到或制造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，超导体的独特量子态也使它们成为量子计算机的优秀构建块。
SLAC的突破性发现
现在，研究人员观察到，超导体的一个必要特性——电子配对——发生在比先前认为更高的温度下，并且发生在一个最不可能出现的材料——反铁磁绝缘体中。尽管该材料没有零电阻，但这一发现表明研究人员可能能够找到方法，将类似材料制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团队于8月15日在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。
“电子对告诉我们，它们已经准备好进行超导，但某些因素阻止了它们，”斯坦福大学应用物理学博士生及论文共同作者徐克俊（Ke-Jun Xu）表示。“如果我们能找到一种新方法来同步这些电子对，我们就可以将其应用到可能建造的高温超导体上。”
同步电子以实现超导性
在过去的一个世纪里，研究人员对超导体如何工作有了很多了解。例如，我们知道要使一种材料成为超导体，电子必须配对，并且这些对必须相干，即它们的运动必须同步。如果电子配对但不相干，该材料最终可能会变成绝缘体。
在超导体中，电子表现得就像在舞会上两个羞涩的人。一开始，双方都不愿意和对方跳舞。但是当DJ播放了一首双方都喜欢的歌曲时，他们便放松了下来。他们注意到对方都在享受这首歌曲，从远处就被彼此吸引——他们配对了但还没有协调一致。
然后DJ播放了一首新歌，两人都非常喜欢。突然，这两个人一起开始跳舞。很快，舞会上的每个人都跟上了他们的步伐：大家聚在一起，开始跳同一首新歌。在这一点上，派对变得协调了；它处于超导状态。
在这项新研究中，研究人员观察到处于中间阶段的电子，这些电子已经“眉目传情”，但尚未“起身共舞”。
铜酸盐的行为很古怪
超导材料首次被发现后不久，研究人员发现，使电子配对并运动起来的是材料本身的振动。斯坦福大学教授兼SLAC斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）研究员智勋申（音译）表示，这种电子配对发生在一类被称为常规超导体的材料中，目前人们对这种材料已有深入了解。智勋申监督了这项研究。常规超导体通常在环境压力下，接近绝对零度（低于25开尔文）的温度下工作。
非传统超导体（例如当前研究中的铜氧化物材料或铜酸盐）在显著更高的温度下工作，有时温度可高达130开尔文。在铜酸盐中，人们普遍认为除了晶格振动之外，还有其他东西有助于电子配对。尽管研究人员不确定背后的确切原因，但主要候选对象是波动的电子自旋，这会导致电子以更高的角动量配对并“舞动”。这种现象被称为波道，而在大约30年前SSRL的一项实验中就发现了这种新型状态的早期迹象。了解铜酸盐中电子配对的驱动因素将有助于设计在更高温度下工作的超导体。
在该项目中，科学家们选择了一个铜酸盐家族作为研究对象，此前科学家们对这一家族的研究不够深入，因为相比于其他铜酸盐，其最大超导温度相对较低——25开尔文。更糟糕的是，这一家族的大部分成员都是优质的绝缘体。为了研究铜酸盐的原子细节，研究人员将紫外线照射到材料样本上，这会导致电子从材料中发射出来。当电子受到束缚时，其被发射出的阻力会略有增加，从而形成“能隙”。这一能隙会持续到150开尔文，表明电子的配对是在远高于25开尔文（即零电阻状态）的温度下进行的。该研究中最为异常的发现是，绝缘性最强的样本中电子配对也最强。
沈说，该研究中的铜酸盐可能并不是实现室温超导（约300开尔文）的材料。“但或许在另一个超导体材料家族中，我们可以利用这些知识作为线索，更接近室温超导”，他说。
“我们的发现开启了一条新的潜在的丰富前进道路，”沈（Shen）说。“我们计划在未来研究这一配对缺口，以帮助工程师们使用新方法制造超导体。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非相干配对状态。另一方面，我们想要找到方法来操纵这些材料，也许可以将这些非相干对强制同步。”
参考：“电子掺杂铜酸盐中的异常正常态间隙”，作者：Ke-Jun Xu、Junfeng He、Su-Di Chen、Yu He、Sebastien N. Abadi、Costel R. Rotundu、Young S. Lee、Dong-Hui Lu、Qinda Guo、Oscar Tjernberg、Thomas P. Devereaux、Dung-Hai Lee、Makoto Hashimoto 和 Zhi-Xun Shen，2024年8月15日，《科学》杂志。DOI: 10.1126/science.adk4792
该项目得到了美国能源部科学办公室的部分支持。SSRL是能源部科学办公室的用户设施。
