超導體及其神秘的原子特性自發現以來的一個世紀裡一直令研究人員嘆為觀止。這些特殊的材料可以讓電流通過它們而不損失任何能量。它們甚至能讓火車懸浮起來。但超導體通常只能在極冷的溫度下工作。當這些材料被加熱時，它們就會變成普通導體（允許電流流動，但會損失一些能量）或絕緣體（完全不導電）。

這是一幅表示電子如何在超導材料中鎖定在一起的圖畫。資料來源：Greg Stewart/SLAC 國家加速器實驗室

研究人員一直在努力尋找能在更高溫度下–也許有一天甚至能在室溫下–施展魔法的超導體材料。找到或製造出這樣的材料可能會改變現代科技，從電腦和手機到電網和交通。此外，超導體獨特的量子態也使其成為量子電腦的絕佳構件。

現在，研究人員觀察到，超導體的一個必要特性–電子配對會在比以前想像的要高得多的溫度下發生，而且是在一種人們最不希望發生的材料–反鐵磁性絕緣體中發生。儘管這種材料的電阻值並不為零，但這項發現表明，研究人員或許能夠找到方法，將類似材料改造成在更高溫度下工作的超導體。來自SLAC國家加速器實驗室、史丹佛大學和其他機構的研究小組於8月15日在《科學》雜誌上發表了他們的研究成果。

“電子對告訴我們，它們已經做好了超導的準備，但有些東西阻止了它們，”斯坦福大學應用物理學研究生、論文共同作者徐克俊說。 “如果我們能找到一種使電子對同步的新方法，我們就有可能將其應用於建造溫度更高的超導體”。

在過去的100 年中，研究人員對超導體的工作原理有了許多了解。例如，我們知道，要使材料超導，電子必須配對，而這些電子對必須是相干的，即它們的運動必須同步。如果電子配對但不連貫，材料最終可能成為絕緣體。

在超導體中，電子就像舞會上兩個沉默寡言的人。一開始，兩個人都不想跟對方跳舞。但隨後DJ 播放了一首兩人都喜歡的歌曲，讓他們放鬆下來。他們注意到彼此都很喜歡這首歌，於是遠遠地就被吸引住了–他們已經配對，但還沒有融為一體。

然後，DJ 播放了一首兩人都非常喜歡的新歌。突然，兩個人結伴開始跳舞。很快，舞會上的每個人都跟著他們跳了起來：他們都走到一起，開始隨著同一首新歌跳舞。此時，舞會變得連貫起來，處於超導狀態。

在新的研究中，研究人員觀察到處於中間階段的電子，在這一階段中，電子已經對視，但並沒有起身跳舞。

這是超導材料中兩個電子從不同步到同步的圖畫。資料來源：Greg Stewart/SLAC 國家加速器實驗室

在超導體首次被發現後不久，研究人員發現，讓電子配對跳舞的是底層材料本身的振動。史丹佛大學教授、SLAC 的史丹佛材料與能源科學研究所（SIMES）研究員沈志勳（Zhi-Xun Shen）說，這種電子配對發生在一類被稱為傳統超導體的材料中，這種材料已被人們充分了解。傳統超導體通常在接近絕對零度（低於25開爾文）的環境壓力下工作。

非常規超導體（如本次研究中的氧化銅材料或銅酸鹽）的工作溫度要高得多，有時可高達130 開爾文。一般認為，在銅氧化物中，除了晶格振動之外，還有其他因素幫助電子配對。儘管研究人員並不確定背後的確切原因，但主要的候選原因是電子自旋的波動，這種波動會導致電子配對，並以更大的角動量跳舞。這種現象稱為”wave channel”–大約三十年前，SSRL 的一項實驗中就出現了這種新狀態的早期跡象。了解銅氧化物中電子配對的驅動因素有助於設計在更高溫度下工作的超導體。

在這個計畫中，科學家選擇了一個尚未深入研究過的銅氧化物家族，因為與其他銅氧化物相比，它的最高超導溫度相對較低–25 開爾文。更糟的是，這個家族的大多數成員都是良好的絕緣體。為了觀察銅氧化物的原子細節，研究人員以紫外線照射材料樣品，使電子從材料中射出。當電子被束縛時，它們對被射出的阻力會稍大一些，從而產生”能隙”。這種能隙一直持續到150 開爾文，顯示電子配對的溫度遠高於約25 開爾文的零電阻狀態。這項研究最不尋常的發現是，在絕緣性最強的樣本中，電子的配對作用最強。

這項研究中的銅氧化物可能不是在室溫（約300開爾文）下達到超導性的材料。沈說：”但也許在另一個超導體材料家族中，我們可以利用這些知識來提示如何更接近室溫。我們的發現開闢了一條潛在的豐富的新道路，未來研究會這種配對間隙，以幫助使用新方法設計超導體。 。

編譯自/ ScitechDaily