高溫超導材料的原理是近代實驗物理學最大的難題之一。
超導現象是20世紀的重大科學發現，當某些材料在溫度降低到某一臨界溫度時電阻突然消失，具備這種特性的材料稱為超導體。高溫超導體並不是大多數人認為的幾百幾千度的高溫，只是相對原來超導所需的超低溫高出許多，通常是指在液氮溫度（77 K）以上超導的材料。
高溫超導體可用於製造超高效電源線、醫療核磁共振成像設備、粒子加速器和其他設備等。破解這些材料的原理，或許將能在室溫實現高溫超導，為電子設備（包括筆記本電腦和手機等）帶來革命性的提升。
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前不久，《自然科學》雜誌刊登美國加州理工學院的研究人員的最新進展。將這些材料冷卻但還未達臨界溫度之前的狀態稱為「贗隙;」（pseudo gap），研究人員證實這一過渡狀態下的材料有獨特的狀態，其性質與超導體性質大為不同。
強自旋軌道耦合化合物Sr2IrO4晶體中多極分布的空間分布
贗隙狀態與高溫超導
當物質從一個狀態轉變到另一個狀態，例如水凍結成冰時，材料粒子之間的排序方式會發生變化。物理學家們曾探測到贗隙狀態中電子出現某種排序的跡象。但是電子到底如何排序，以及這種排序是否構成了一種新的物質狀態，仍尚未可知。
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「所有的高溫超導體都具備一種特殊性質：在進入超導狀態之前，它們都會先進入贗隙狀態。贗隙狀態下的物質性質和超導同樣神秘」。加州理工大學該項研究的首席研究員David Hsieh說，「我們已經發現，在贗隙狀態下，物質內部電子進入一個非常不尋常的排序模式，並且打破了空間的對稱性。這一發現成為我們探索物質贗隙狀態的重要線索，並且讓我們對高溫超導體的工作原理有了新的理解。」
David Hsieh通過將雷射束射向儀器測量來對電子活動進行測量
自1911年物理學家首次發現超導現象以來，為了達到材料的臨界溫度，需要使用液氦作為冷卻劑。然而苦於液氮的稀少及其價格高昂，物理學家一直在尋找可以在更高溫度下成為超導體的材料。
1986年至今發現的所謂的高溫超導體，其工作環境已經高達138（零下135攝氏度）開氏度，因此可以使用比液氦更便宜的液氮冷卻。儘管超導領域已經獲得了三個諾貝爾獎，但是物理學家依然不了解高溫超導的機制。
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超導電子的共舞
材料變成超導體的過程就是其內部電子克服其斥力配對的過程。這些配對可以在極低環境下發生，並且允許電子和它們所攜帶的電流不受阻礙地定向移動。在常規超導體中，電子配對由超導材料晶格中的自然振動引起，其作用就如同膠水將電子對束縛在一起。
但是在高溫超導體材料中，這種形式的「膠水」並不足以強到可以將電子對束縛在一起，研究人員認為，贗隙狀態，以及電子在該狀態下如何排列，都是理解高溫超導體材料的關鍵性因素。
為了研究贗隙狀態下電子是如何排列的，Hsieh和他的團隊發明了一種新的基於雷射的方法，稱為非線性光學旋轉各向異性法。在該方法中，當雷射射向超導材料（釔鋇銅氧化物）時，通過對比分析反射回來的經歷半波損失後的波場信息，進而揭示材料晶體中電子排列的對稱性。
打破的對稱性帶來科學新思路
物質的內部電子在不同的相下具有不同的對稱結構。例如，當水變成冰時，物理學家就認為其原有的對稱性已經被打破。
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Hsieh解釋道：「當水處於液體狀態時，水分子（H2O）的分布是隨機的，如果你的巨大的水池中遊泳，那麼無論你在哪裡，你周圍的環境看起來都是一樣的。冰中的水分子會形成規則的周期性網絡，所以你想像一下自己被淹沒在無限的冰中，那麼你的周圍環境將會看起來並不一樣，這取決於你坐在一個H原子上還是O原子上。因此，我們說，由水到冰的過程中，其內部空間的對稱性會被打破」。
隱秩序電子的空間分布
通過使用新技術，Hsieh所帶領的團隊可以將電子冷卻到贗隙相時破壞了特定的空間對稱的這一過程展現出來，這一過程稱為反演和旋轉對稱。
論文主要作者趙劉燕認為：「一旦系統進入到贗隙狀態，就可以用溫度或者化合物中氧含量的函數進行描述。反演和對稱性的損失清楚地表明了物質正在往新的相過渡。令人興奮的是，我們正在使用這一新技術來解決一個老問題。」
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「旋轉對稱性在贗隙狀態下被打破的這一發現，縮小了可能的理論搜尋空間，」 Hsieh說，「在某些方面，這個不尋常的相可能是這些超導材料最有趣的方面。」
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在高溫超導體的領域中，科學家攻克一個難題，然後再去解決另一個。下一步，科學家們想知道這些贗隙中電子的這種排序與高溫超導性之間的聯繫，以及如何在更高溫環境下實現超導。