超導之謎原來如此?科學家在超導體中,直接觀察到一種量子效應!

由普林斯頓大學科學家領導的一個國際團隊，直接觀察到了一種含鐵高溫超導體中令人驚訝的量子效應。超導體在沒有電阻的情況下導電，使其在長距離電力傳輸和許多其他節能應用中很有價值。傳統超導體只能在極低的溫度下工作，但大約十年前發現的某些鐵基材料可以在相對較高溫度下進行超導，並引起了科學家們的注意。鐵基材料中超導電性究竟是如何形成的是一個謎，特別是因為鐵的磁性似乎與超導電性的出現相衝突。

對鐵基超導體等非常規材料的更深入研究，可能最終促使下一代節能技術的新應用。科學家們探索了添加雜質（即鈷原子）時鐵基超導體的行為，以探索超導性是如何形成和消散的。其發現使科學家們對60年前關於超導行為的理論有了新認識，其研究成果現在發表在《物理評論快報》期刊上。普林斯頓大學尤金·希金斯物理學教授M·扎希德·哈桑(M.Zahid Hasan)領導了該研究團隊：添加雜質是了解超導體行為的一種有用方法，這就像通過投擲石頭來探測湖中水的波浪行為。

超導特性對雜質的反應方式揭示了它們量子級細節的秘密。一個由來已久的想法被稱為安德森定理預測，雖然添加雜質可以將無序引入超導體，但在許多情況下，它不會破壞超導電性。這個定理是1959年由諾貝爾獎獲得者物理學家菲利普·安德森(Philip Anderson)提出，他也是普林斯頓大學的約瑟夫·亨利(Joseph Henry)物理學教授，榮休。但總有例外：鈷似乎是這些例外之一，與理論相反，鈷的加入迫使鐵基超導體失去超導能力，變得像普通金屬一樣，電以電阻流動，並以熱的形式浪費能量。

到目前為止，還不清楚這是如何發生的，為了探索這種現象，普林斯頓大學研究團隊使用了一種被稱為掃描隧道顯微鏡的技術，這種技術能夠對單個原子進行成像，以研究一種由鋰、鐵和砷製成的鐵基超導體。將鈷原子形式的非磁性雜質引入超導體，以觀察它的行為。科學家們在極低的溫度下測量了大量樣品，約為零下237.78攝氏度(400毫開爾文)，比外太空低近10華氏度。在這些條件下，研究人員定位並測量了晶格中的每個鈷原子。

然後直接測量了它在原子局部尺度和樣品全局超導性質上對超導電性的影響。為了做到這一點，研究人員在這些極低的溫度下，以原子水平的解析度研究了超過30個不同濃度的晶體。該研究的第一作者Songtian Sonia Zhang說：不能保證任何給定的晶體都會提供所需要的高質量數據。作為這個廣泛實驗的結果，研究小組發現每個鈷原子都有一個有限的局部影響，在距離雜質的地方消失了一個或兩個原子。然而，隨著鈷濃度的增加，通過相變進入正常的非超導狀態，有一個強大的系統演化，通過引入更多的鈷原子，超導電性最終被完全破壞。

超導性是由於兩個電子配對形成一個量子態，這種量子態由一種稱為波函數的性質描述。這種配對使得電子可以快速穿過材料，而沒有日常金屬中發生的典型電阻。散射電子和打破電子對所需的最小能量稱為「超導能隙」。當加入鈷原子時，散射強度可以用兩種方式來描述：強極限和弱極限。以物理學家Max Born命名的玻恩極限散射具有最弱幹擾電子波函數的潛力，這些電子波函數對電子-電子相互作用以及電子配對至關重要，通過取代鐵原子，鈷原子表現為出生極限散射體。

雖然玻恩極限散射體具有相對較弱破壞超導電性的潛力，但當許多散射體結合在一起時，它們會破壞超導電性。科學家發現，對於砷化亞鐵鋰材料，在玻恩極限的散射顯然能夠違反安德森定理，導致從超導狀態到非超導狀態的量子相變。超導材料可以用稱為隧穿光譜的特徵來描述，該特徵提供了對材料中電子行為的描述，並充當電子的能量分布剖面。砷化亞鐵鋰材料具有所謂的「S波」間隙，其特徵是超導能量間隙中的平坦「U」形底部，完全打開的超導間隙表示超導材料的質量。

令人驚訝的是，鈷雜質不僅抑制了超導電性，還改變了性質，因為它從U形演變為V形。超導帶隙的形狀通常反映了描述超導性質的「序參數」。這樣的形狀是有序參數的特徵，這些有序參數只出現在唯一數量的高溫超導體中，並且暗示著極非常規的行為。通過改變序參數（例如，通過改變超導帶隙的形狀而反映在測量中）的表觀轉變只會增加量子之謎。這種演變是不尋常的，並促使科學家深化他們的研究，通過將理論計算與磁性測量相結合，能夠確認鈷散射的非磁性性質。

由於安德森定理指出，非磁性雜質對這種類型的超導體幾乎沒有影響，研究人員意識到必須開發另一種理論。在鐵基超導體中，科學家們推測，在不同的「費米口袋」（由於電子佔據規則晶體結構而形成的能量計數）超導有序參數的相位有符號變化。Hasan團隊的博士後研究員、該研究的合著者Ilya Belopolski表示：區分常規超導和符號改變超導需要對超導序參數進行相敏測量，這可能是極具挑戰性的，研究實驗的一個好的方面是，通過考慮違反安德森定理，可以繞過這一要求。

事實上，科學家們發現，通過在超導電性的序參數中引入這種符號變化，能夠複製鈷雜質的奇數演化。除了這些最初的計算之外，還採用了另外三種最先進的理論方法來證明非磁性鈷散射體對這種符號變化超導體的影響。三個不同的理論模型都指向同一個解釋的事實表明，這是一個強有力的結論，在尋求解決超導之謎的過程中，開發出了並不總是彼此一致的複雜模型。在這種情況下，與模型無關的結果明確地指出，這是一種符號變化的奇異超導體，最初並沒有被安德森的研究考慮到。