物理学家在曾经被认为“不可能”的温度下发现了超导体行为

科学家们在超导材料中观察到了意想不到的新行为。如果物理学家能够找出原因，就可以帮助他们找到室温超导体。

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科学家们发现了在比之前认为的更高的温度下发生超导所需的关键过程。这可能是寻找物理学“圣杯”之一——室温下工作的超导体的过程中迈出的一小步，但却是意义重大的一步。

这一发现是在一种不太可能的电绝缘体材料内完成的，它揭示了电子在高达负 190 华氏度（负 123 摄氏度）的温度下配对——这是极冷超导中近乎无损电流的秘密成分之一材料。

到目前为止，物理学家对为什么会发生这种情况感到困惑。但了解它可以帮助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，它们已经准备好超导，但有些东西正在阻止它们，”合著者 Ke-Jun Xu，斯坦福大学应用物理学研究生，在一份声明中表示。 “如果我们能找到一种新的方法来同步这些对，我们就可以将其应用于可能建造更高温度的超导体。”

超导性是由电子穿过材料时留下的波纹产生的。在足够低的温度下，这些波纹将原子核相互吸引，进而导致电荷的轻微偏移，从而将第二个电子吸引到第一个电子上。

通常，两个负电荷应该相互排斥。但相反，奇怪的事情发生了：电子结合在一起形成“库珀对”。

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库珀对遵循与孤电子不同的量子力学规则。它们不是在能量壳中向外堆叠，而是像光粒子一样，无限数量的光粒子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多的库珀对，它们就会成为超流体，流动时不会因电阻而损失任何能量。

第一个超导体由荷兰物理学家 Heike Kamerlingh Onnes 于 1911 年发现，在难以想象的低温下转变为零电阻率状态 - 接近绝对零（负 459.67 F，或负 273.15 C）。然而，在 1986 年，物理学家发现了一种称为铜酸盐的铜基材料，它在温度高得多（但仍然很冷）负 211 华氏度（负 135 摄氏度）时成为超导体。

物理学家希望这一发现能够引导他们找到室温超导体。然而，对铜酸盐表现出不寻常行为的原因的深入研究却进展缓慢，去年，关于可行的室温超导体的病毒式传播最终以数据造假指控和失望告终。

为了进一步研究，这项新研究背后的科学家们转向了一种被称为氧化铜钕铈的铜酸盐。这种材料的最高超导温度相对较低，为负414.67华氏度（负248摄氏度），因此科学家们并没有费心去研究它。但当研究人员用紫外线照射其表面时，他们观察到了一些奇怪的现象。

通常，当光包或光子撞击携带不成对电子的铜氧化物时，光子为电子提供足够的能量，使其从材料中喷射出来，导致材料损失大量能量。但库珀对中的电子可以抵抗光子驱逐，导致材料仅损失一点能量。

尽管其零电阻状态仅在非常低的温度下出现，但研究人员发现，这种新材料的能隙在高达 150 K 的温度下仍然存在，而且奇怪的是，在大多数最能抵抗电流的样品中，这种配对是最强的。当前的。

这意味着，尽管铜酸盐不太可能达到室温超导性，但它可能为寻找能够达到室温超导性的材料提供了一些线索。

“我们的发现开辟了一条可能丰富的新道路。我们计划在未来研究这种配对间隙，以帮助使用新方法设计超导体，”资深作者、斯坦福大学物理学教授Zhi-Xun Shen ，在声明中说。 “一方面，我们计划使用类似的实验方法来进一步了解这种不相干的配对状态。另一方面，我们希望找到操纵这些材料的方法，以迫使这些不相干的配对同步。”