物理學家Brad Ramshaw表示，超導體，也就是電流在其中無阻力流動的金屬有望成為不久的將來的決定性材料，並且已經被用於醫療成像機器、藥物發現研究以及Google和IBM正在建造的量子計算機。然而，傳統超導體運作所需的超低溫度幾乎都接近於高於絕對零度的幾度，使它們過於昂貴而無法廣泛使用。

在尋找更有用的超導體的過程中，文理學院（A&S）Dick & Dale Reis Johnson物理學助理教授Ramshaw及其同事發現，磁性是理解”高溫”超導體中電子行為的關鍵。有了這一發現，他們已經解開了圍繞這類超導體30年的謎團，這類超導體在更高的溫度下發揮作用，比絕對零度高100多度。他們的論文《杯狀超導體偽隙臨界點的費米表面轉變》於2022年3月10日發表在《自然-物理學》上。

“我們想了解是什麼讓這些高溫超導體發揮作用，並將這種特性設計到其他一些更容易被技術採用的材料中，”Ramshaw說。高溫超導體的一個核心奧秘是它們的電子會發生什麼。”所有的金屬都有電子，當一種金屬成為超導體時，電子會相互配對。我們測量了一種叫做’費米表面’的東西，你可以把它看作是一張顯示金屬中所有電子位置的地圖。”

為了研究電子如何在高溫超導體中配對，研究人員通過一個被稱為化學摻雜的過程不斷改變電子的數量。Ramshaw說，在高溫超導體中，在某個”臨界點”，電子似乎從費米表面圖中消失了。

研究人員將目光鎖定在這個臨界點上，以弄清是什麼讓電子消失的，以及它們去了哪裡。他們使用世界上最強的穩態磁鐵，即位於佛羅里達州塔拉哈西的國家高磁場實驗室的45特斯拉混合磁鐵，來測量銅-氧化物高溫超導體的費米表面，作為電子濃度的函數，就在臨界點附近。

他們發現，當研究人員撥過臨界點時，費米表面完全改變。”這就好像你在看一張真實的地圖，突然間大部分大陸都消失了，”Ramshaw說。”這就是我們發現高溫超導體的費米表面在臨界點發生的情況–一個特定區域的大部分電子在地圖的一個特定部分突然消失了。”

Ramshaw說，對研究人員來說，重要的是不僅要注意到電子正在消失，而且要注意到哪些電子正在消失。

物理學博士生、論文第一作者Yawen Fang說，他們根據幾種理論建立了不同的模擬模型，並測試它們是否能解釋數據。”最後，我們獲得了一個模型，這是與磁性相關的模型，”Fang說。”我們正自信地從材料中被充分理解的一面，以我們的技術為基準，步入過了臨界點的神秘一面。”

現在他們知道了哪些電子會消失，研究人員有了一個想法–它與磁性有關。

Ramshaw說：”一直以來都有暗示，在高溫超導體中，磁性和超導性是相關的，而我們的工作表明，這種磁性似乎就在臨界點出現，併吞噬了大部分的電子。這個臨界點也標誌著在最高溫度下發生超導性的電子濃度，而更高溫度的超導體是這裡的目標。”知道臨界點與磁性有關，就能深入了解為什麼這些特定的超導體具有如此高的轉變溫度，甚至可能在哪裡尋找具有更高轉變溫度的新超導體。

康奈爾大學Kavli研究所納米科學博士後、共同第一作者Gaël Grissonnanche說：”這是一個在我們的研究之前已經存在了30年的辯論，而我們得出了一個直接的答案。”