科学家们发现了超导转变的第四个特征 增加了超导材料在室温下工作的可能性

35年前，当研究人员发现一类新颖而令人兴奋的新超导材料时，他们欣喜若狂。这些铜氧化物或铜酸盐，像其他超导体一样，在冷却到特定温度以下时，可以无阻力或无损耗地导电--但其温度大大高于科学家的预期。这增加了让它们在接近室温的温度下工作的可能性，以实现完美高效的电力线和其他用途。

研究很快证实，它们展示了向超导状态转变的另外两个典型特征。 该材料在发生超导时排出了磁场，允许放置在该材料大块上的磁铁在其表面上方盘旋。而在过渡期间，其热容量--将其温度提高一定量所需的热量--显示出明显的异常。

但是，尽管经过几十年的努力，使用了各种实验工具，第四个特征（只能在微观尺度上看到）仍然难以捉摸：当材料从正常状态转变到超导状态时，电子配对并凝聚成一种“电子汤”的方式。

现在，美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的一个研究小组终于通过角度分辨光发射光谱（ARPES）的精确、高分辨率测量揭示了这第四个特征，ARPES利用光从材料中发射电子。测量这些射出的电子的能量和动量揭示了材料内部电子的行为方式。

在最近发表在《自然》杂志上的一篇论文中，该团队证实，他们研究的被称为Bi2212的铜酸盐材料在两个不同的步骤和非常不同的温度下转变为超导状态。

Sudi Chen说：“现在我们非常详细地知道了在超导转变过程中发生了什么，我们可以考虑如何在更高的温度下使之发生，”他在斯坦福大学读博士时领导了这项研究。“那是一个非常实用的方向。”

监督这项研究的斯坦福大学材料与能源科学研究所（SIMES）的调查员沈志勋教授说：“这是15年来试图了解这些材料的电子结构的科学探测工作的高潮，它为非常规超导性的整体图景提供了缺失的环节。我们知道这些材料在配对电子凝聚成量子凝结物时应该产生独特的光谱特征；令人惊奇的是，我们花了这么长时间才找到它。”

非常规的过渡

在1911年发现的传统超导体中，电子克服了它们之间的相互排斥，形成了所谓的库珀对，它们立即凝聚成一种电子汤，使电流可以不受阻碍地运行。

但是在非常规的铜酸盐中，科学家们推测电子在某一温度下配对，但直到它们被冷却到一个明显较低的温度时才会凝结；只有在那个时候材料才会变得超导。

虽然这种转变的细节已经用其他方法进行了探索，但直到现在它还没有被像光发射光谱这样的微观探针所证实，光发射光谱研究物质如何吸收光和发射电子。这是对材料中的电子如何表现的一个重要的独立测量。

沈志勋在斯坦福大学开始了他的科学生涯，当时新的杯状超导体的发现刚刚出现，他已经为揭开它们的秘密和改进光发射光谱作为一种工具投入了三十多年。

在这项研究中，由日本的合作者制作的杯状物样品在两个ARPES装置中进行了检查--一个在沈志勋的斯坦福实验室，配备了一个紫外线激光器，另一个在SLAC的斯坦福同步辐射光源（SSRL），在SLAC工作人员科学家和长期合作者Makoto Hashimoto和Donghui Lu的帮助下。

Hashimoto说：“最近这些仪器整体性能的提高是获得这些高质量结果的一个重要因素。它们使我们能够以更高的精度、稳定性和一致性来测量射出的电子的能量。”

Lu补充说：“全面了解高温超导的物理学是非常具有挑战性的。实验者使用不同的工具来探究这个困难问题的不同方面，这提供了更深入的见解。”

沈志勋说，对这些非常规材料的长期研究就像从洋葱上剥开一层层的皮，以揭示其中令人惊讶和有趣的物理学。他说，现在，确认向超导的过渡发生在两个独立的步骤中，“给了我们两个旋钮，我们可以调整，让材料在更高的温度下超导。”

Sudi Chen现在是加州大学伯克利分校的一名博士后研究员。来自日本国家先进工业科技研究所、荷兰莱顿大学洛伦茨理论物理研究所和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员也对这项工作做出了贡献，这项工作由美国能源部科学办公室资助。SSRL是美国能源部科学办公室的一个用户设施。