神秘物相與高溫超導性相互競爭

圖片說明：高溫超導性（SC）和神秘物相「贋能隙」（PG）之間的復雜關系。在氧化銅材料中，當移除的電子達到最佳數量，余下帶正電的「空穴」（hole），且材料被冷卻至超導轉變溫度（藍色曲線）以下時，該材料便開始具有超導性。從而致使其余電子（黃色）形成電子對，並以100%的效率導電。在斯坦福直線加速器中心（SLAC）進行的各項實驗產生了首個直接證據：空穴濃度較低時，贋能隙在很大溫度范圍內與超導性爭搶電子（SC+PG）；空穴濃度較高而溫度較低時，超導性勝出。圖片來源：斯坦福直線加速器中心國家加速器實驗室（National Accelerator Laboratory）

 

科學家發現了首個直接證據——一種被稱為「贋能隙」的神秘物相與高溫超導性相互競爭，搶奪其電子，而這些電子本可以配對並使以100%的效率導電。

 

該研究由斯坦福大學（Stanford University）和美國能源部SLAC國家加速器實驗室的研究人員領導。20多年的研究致力於解決一直困擾人們的問題：贋能隙到底會促進超導性還是會阻礙超導性？解決這個問題將有助於提高電氣傳輸、計算機應用及其他領域的能源效率。

 

該研究的第一作者Makoto Hashimoto表示，新的研究結論明確說明贋能隙是阻礙超導體在較高溫度下工作的「絆腳石」之一。這些結論發表在Nature Materials雜志上。

 

他說：「我們發現了確鑿的證據，能證明贋能隙物相與超導性相互競爭並對其產生抑制作用。如果我們能以某種方式消除或更好地處理這種競爭，那麼就有可能提高超導體的工作溫度。」

 

追蹤電子

 

在實驗中，研究人員采用了一種叫做「角分辨光電子能譜」（ARPES）的技術，將氧化銅材料中的電子撞擊出來。氧化銅是一種可在相對較高溫度下工作的超導材料，盡管仍需至少冷卻到零下135攝氏度。

 

通過繪制這些被驅逐電子的能譜和動量譜，研究人員了解了電子在材料內部的運動方式。例如，金屬中的電子在各原子間或圍繞原子自由移動，絕緣體中的電子緊附在原子上。而在超導體中，電子紛紛離開常駐位置並進行配對，達到零電阻狀態和100%的導電效率。研究人員在圖譜上可發現電子缺失後留下的特征能隙。

 

而在20世紀90年代中期，科學家在氧化銅超導體的能譜中發現了另一種令人費解的能隙。這種「贋能隙」看起來很像超導電子留下的能隙，但它所出現的溫度高於實現一般超導性時的溫度。這是超導現象的前奏？是阻礙超導的競爭狀態？它從何處而來？人們不得而知。

 

SLAC和斯坦福大學教授、該研究的資深作者Zhi-Xun Shen說：「這是一個復雜的內部關系。這兩種現象的起因可能相同，但最終呈對立狀態。當贋能隙贏得勝利時，超導性也就失去了它的地盤。」

 

競爭的證據

 

自發現贋能隙以來，Zhi-Xun Shen和同事們就開始使用角分辨光電子能譜對其展開研究，多年來不斷進行鑽研，力求從飛舞的電子中捕捉到更多有用的信息。

 

在最新研究中，Hashimoto終於弄明白在材料轉變至超導狀態的瞬間到底發生了什麼。在材料的電子性質以各種方式改變後，他不僅在很大溫度范圍內測量了電子的能量和動量，而且還測量了從材料中逐出的具有特殊能量的電子數量。

 

他發現的確鑿證據有力地證明：在轉變的臨界溫度點，贋能隙和超導性在相互爭搶電子。研究小組成員通過理論計算重現了這種復雜的關系。

 

斯坦福大學和SLAC的教授、該研究的共同作者Thomas Devereaux解釋說：「贋能隙經常會吞掉本該進入超導態的電子。電子在贋能隙中忙著飛舞，超導性試圖干預，電子卻不讓其插手。而當材料進入超導態時，贋能隙就繳械投降，乖乖地把電子釋放回來。這是我們取得的能夠證明競爭存在的最有力證據。」

 

未解之謎

 

科學家仍未解出贋能隙是由什麼原因導致的，Devereaux說：「這成為此領域中最重要的問題，因為贋能隙顯然會阻礙超導體在更高的溫度下工作，而我們卻不知其所以然。」

 

盡管如此，科學家們認為這些結論為進一步研究開辟了新的方向。

 

Hashimoto說：「現在我們可以從理論方面對贋能隙和超導電性之間的競爭建立模型，這在以前是不可能的。我們可以通過模擬程序再現觀察到的那些特征，並改變模擬程序中的變量，以探究贋能隙到底是什麼。」

 

他補充道：「關於這兩種狀態之間的關系，競爭可能只是其中一個方面。或許會有更深奧的問題，例如，贋能隙是不是超導發生的必要條件？」