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高溫超導是物理學中最大的謎團之一，LION的物理學家米蘭·艾倫的研究小組首次使用約瑟夫森掃描隧道顯微鏡對超導粒子的空間變化進行了成像，高溫超導體的一個神秘之處在於它可能是不均勻的，這意味著庫珀對的密度會導致超導性隨空間的變化，通過首次成像證明，確實存在非常不均勻的超導體。這一發現由杜希·秋、科恩·巴斯蒂斯安、達米亞諾斯·查佐普洛斯和艾倫在《自然》上發表，將有助於解釋這種神秘的高溫超導現象。
1911年發現了傳統的超導性，即一種材料在沒有任何可測量電阻的情況下傳導電流，萊頓大學的物理學家海克·卡梅林·昂尼斯注意到，在絕對零度以上4.2度時，汞的電阻消失了。這很奇怪，也出乎意料，因為正常情況下，流過金屬的電子會撞到原子或晶體結構中的不規則物，而產生所謂的電阻。直到1957年，物理學家巴丁、庫珀和施裡弗才解釋了這一現象，他們展示了電子在晶體中流動時，如何通過晶格中的振動在一定距離內感知彼此，從而使它們耦合併形成所謂的庫珀對。
高溫超導體
除了電子，庫珀對可以合併形成一個大的集體，通過晶體移動。這個集體比單個原子或缺陷要大得多，不會感覺到它們。這有點像一個巨大的波浪，不受阻礙地流過一片帆船的水域，在那裡，小波浪會被單獨的船隻阻擋。出乎意料的是，1986年瑞士物理學家貝德諾茲和穆勒發現了一種超導材料，其溫度異常「溫暖」，高達絕對零度以上90度，溫度足以說明高溫超導性。如果臨界溫度可以提高到室溫。
這一技術有望在技術上得到大量應用，從實際無損的電力線到懸浮列車。但是這個沒有實現，一些應用程式正在緩慢地推向市場，但臨界溫度卻停滯不前，也許是因為直到今天，理論物理學家還沒有完全理解非傳統超導性，儘管他們進行了幾十年的實驗和理論研究。已知的是，與傳統超導體相比，這些超導體中的庫珀對要小得多，也更稀疏。
約瑟夫森掃描隧道顯微鏡
多年來，人們一直在談論這種不均勻性，為了最終將其可視化，艾倫團隊使用了一種特殊的掃描隧道顯微鏡(STM)，通過在表面移動一個微小的針尖來成像樣本。當針掃描表面時，測量局部性質，得到原子解析度的圖像。這種特殊類型的掃描隧道顯微鏡被稱為約瑟夫森掃描隧道顯微鏡，其尖端覆蓋著超導鉛。
約瑟夫森掃描隧道顯微鏡使用約瑟夫森效應：兩個超導電流可以通過一個小的非導電間隙，在這種情況下，尖端和樣品之間的間隙。通過仔細測量約瑟夫森電流，可以測量庫柏對的密度。使用其他顯微鏡，可以同時繪製庫珀對的相干性，這是對其穩定性的一種衡量。
塊狀庫珀對
每張掃描約3天的圖像顯示，相干性和密度非常不均勻。為了排除這種現象是由晶體本身不均勻性造成的可能性，物理學家們也對原子進行了成像，但結果卻完全不同。這表明不均勻性不僅僅是晶格的結果，而是庫珀對自身的特性。約瑟夫森掃描隧道顯微鏡已經被建立和使用之前，但不是在解析度和可靠性產生這些圖像，這是許多技術進步的總和，才能讓我們能夠做到這一點。
還要選擇正確的樣本。精心選擇的硒化碲化鐵(FeTeSe)是一種高溫超導體，但相對簡單這些發現可以進一步幫助物理學家Jan Zaanen和Koenraad Schalm這樣的理論家解開這個謎團。艾倫希望用顯微鏡很快地研究其他材料，這就像一個新的鏡頭，一種新的顯微鏡。最後，可以研究超導性的一個關鍵性質，這在以前是看不到的。
博科園｜研究/來自：萊頓大學參考期刊《自然》DOI: 10.1038/s41586-019-1408-8博科園｜科學、科技、科研、科普