物理学家竟发现不可能温度下的超导现象

科学家们发现了一个关键过程，该过程是在比此前所认为的更高温度下发生超导性所必需的。这可能是在寻找物理学的“圣杯”之一——能在室温下运行的超导体的过程中虽小但重要的一步。

这一发现是在一种看似不太可能的电绝缘体材料内部得出的，揭示了电子在高达零下 190 华氏度（约合零下 123 摄氏度）的温度下进行配对——这是极冷超导材料中近乎无损电流的秘密成分之一。

到目前为止，物理学家们对为什么会发生这种情况感到困惑。但理解它可能有助于他们找到室温超导体。研究人员于 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，它们已经准备好成为超导体，但有东西在阻止它们，”共同作者徐克军

当电子穿过一种材料时，超导性由电子穿过材料时在其尾迹中留下的涟漪产生。在足够低的温度下，这些涟漪使原子核相互吸引，进而导致电荷产生轻微偏移，进而将第二个电子吸引到第一个电子处。

通常，两个负电荷应该相互排斥。但相反，奇怪的事情发生了：电子相互结合形成了一个“库珀对”。

库珀对所遵循的 量子力学 规则与单个电子不同。它们不像单个电子那样在能量壳层中向外堆积，而是表现得如同光粒子，无数个库珀对可以同时占据空间中的同一点。如果在整个材料中产生足够数量的这些库珀对，它们就会成为超流体，流动时不会因电阻而损失任何能量。

1911 年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现了首批超导体，它们在难以想象的低温——接近 绝对零度（零下 459.67 华氏度，或零下 273.15 摄氏度）时转变为这种零电阻状态。然而，在 1986 年，物理学家发现了一种铜基材料，称为铜酸盐，它在温度高得多（但仍然非常冷）的零下 211 华氏度（零下 135 摄氏度）时成为超导体。

物理学家希望这一发现能引领他们找到室温超导体。然而，对于导致铜酸盐表现出其不寻常行为的原因，相关见解的进展缓慢，去年，有关可行室温超导体的热门说法最终以 数据造假指控 和 失望 收场。

为了进一步研究，参与这项新研究的科学家们将目光转向了一种名为钕铈氧化铜的铜酸盐。这种材料的最高超导温度相对较低，低至零下 414.67 华氏度（即零下 248 摄氏度），因此科学家们此前未曾费心对其进行深入研究。但当研究人员将紫外线照射到其表面时，他们观察到了一些奇怪的现象。

通常情况下，当光包或者光子撞击带有未配对电子的铜酸盐时，光子会为电子提供足够能量，让电子从材料中弹出，致使材料损失大量能量。但库珀对中的电子能够抵御光子的驱逐，从而使材料仅损失少量能量。

尽管这种新材料只有在非常低的温度下才会呈现零电阻状态，但研究人员发现，其能隙在高达 150 开尔文时仍然存在，而且奇怪的是，在大多数抵抗电流流动能力最强的样本中，配对作用最为显著。

这意味着，即便铜酸盐不大可能实现室温超导性，但其或许蕴含着一些能找到可实现此性能的材料的线索。

“我们的这一发现开辟了一条潜在的、内容丰富的新路径。我们打算在未来对这种配对能隙展开研究，以助力采用新方法来设计超导体，”资深作者沈志勋，斯坦福大学的物理学教授，于声明中表示。“一方面，我们打算运用类似的实验方法来进一步加深对这种非相干配对状态的了解。另一方面，我们期望找到操控这些材料的办法，或许能够促使这些非相干对达成同步。”