新技术可能将攻破高温超导未解之谜

高温超导材料的原理是近代实验物理学最大的难题之一。...

高温超导材料的原理是近代实验物理学最大的难题之一。

超导现象是20世纪的重大科学发现，当某些材料在温度降低到某一临界温度时电阻突然消失，具备这种特性的材料称为超导体。高温超导体并不是大多数人认为的几百几千度的高温，只是相对原来超导所需的超低温高出许多，通常是指在液氮温度（77 K）以上超导的材料。

高温超导体可用于制造超高效电源线、医疗核磁共振成像设备、粒子加速器和其他设备等。破解这些材料的原理，或许将能在室温实现高温超导，为电子设备（包括笔记本电脑和手机等）带来革命性的提升。

前不久，《自然科学》杂志刊登美国加州理工学院的研究人员的最新进展。将这些材料冷却但还未达临界温度之前的状态称为“赝隙 ”（pseudo gap），研究人员证实这一过渡状态下的材料有独特的状态，其性质与超导体性质大为不同。

▲强自旋轨道耦合化合物Sr2IrO4晶体中多极分布的空间分布

赝隙状态与高温超导

当物质从一个状态转变到另一个状态，例如水冻结成冰时，材料粒子之间的排序方式会发生变化。物理学家们曾探测到赝隙状态中电子出现某种排序的迹象。但是电子到底如何排序，以及这种排序是否构成了一种新的物质状态，仍尚未可知。

“所有的高温超导体都具备一种特殊性质：在进入超导状态之前，它们都会先进入赝隙状态。赝隙状态下的物质性质和超导同样神秘”。加州理工大学该项研究的首席研究员David Hsieh说，“我们已经发现，在赝隙状态下，物质内部电子进入一个非常不寻常的排序模式，并且打破了空间的对称性。这一发现成为我们探索物质赝隙状态的重要线索，并且让我们对高温超导体的工作原理有了新的理解。”

▲David Hsieh通过将激光束射向仪器测量来对电子活动进行测量

自1911年物理学家首次发现超导现象以来，为了达到材料的临界温度，需要使用液氦作为冷却剂。然而苦于液氦的稀少及其价格高昂，物理学家一直在寻找可以在更高温度下成为超导体的材料。

1986年至今发现的所谓的高温超导体，其工作环境已经高达138（零下135摄氏度）开氏度，因此可以使用比液氦更便宜的液氮冷却。尽管超导领域已经获得了三个诺贝尔奖，但是物理学家依然不了解高温超导的机制。

超导电子的共舞

材料变成超导体的过程就是其内部电子克服其斥力配对的过程。这些配对可以在极低环境下发生，并且允许电子和它们所携带的电流不受阻碍地定向移动。在常规超导体中，电子配对由超导材料晶格中的自然振动引起，其作用就如同胶水将电子对束缚在一起。

但是在高温超导体材料中，这种形式的“胶水”并不足以强到可以将电子对束缚在一起，研究人员认为，赝隙状态，以及电子在该状态下如何排列，都是理解高温超导体材料的关键性因素。

为了研究赝隙状态下电子是如何排列的，Hsieh和他的团队发明了一种新的基于激光的方法，称为非线性光学旋转各向异性法。在该方法中，当激光射向超导材料（钇钡铜氧化物）时，通过对比分析反射回来的经历半波损失后的波场信息，进而揭示材料晶体中电子排列的对称性。

打破的对称性带来科学新思路

物质的内部电子在不同的相下具有不同的对称结构。例如，当水变成冰时，物理学家就认为其原有的对称性已经被打破。

Hsieh解释道：“当水处于液体状态时，水分子（H2O）的分布是随机的，如果你在巨大的水池中游泳，那么无论你在哪里，你周围的环境看起来都是一样的。冰中的水分子会形成规则的周期性网络，所以你想象一下自己被淹没在无限的冰中，那么你的周围环境将会看起来并不一样，这取决于你坐在一个H原子上还是O原子上。因此，我们说，由水到冰的过程中，其内部空间的对称性会被打破”。

▲隐秩序电子的空间分布

通过使用新技术，Hsieh所带领的团队可以将电子冷却到赝隙相时破坏了特定的空间对称的这一过程展现出来，这一过程称为反演和旋转对称。

论文主要作者赵刘燕认为：“一旦系统进入到赝隙状态，就可以用温度或者化合物中氧含量的函数进行描述。反演和对称性的损失清楚地表明了物质正在往新的相过渡。令人兴奋的是，我们正在使用这一新技术来解决一个老问题。”

“旋转对称性在赝隙状态下被打破的这一发现，缩小了可能的理论搜寻空间，” Hsieh说，“在某些方面，这个不寻常的相可能是这些超导材料最有趣的方面。”

在高温超导体的领域中，科学家攻克一个难题，然后再去解决另一个。下一步，科学家们想知道这些赝隙中电子的这种排序与高温超导性之间的联系，以及如何在更高温环境下实现超导。