高溫超導電性形成機理的一次新突破

圖：磁懸浮，超導邁斯納效應

更便宜的電力，更高效的運輸，甚至科幻電影中的磁懸浮滑板。超導電性將要給我們的世界帶來徹底的改變。儘管在技術上還有很長的路要走，但現在一個關鍵性的高溫超導理論已經被證實了。這或許會大大縮短超導應用到現實的距離。

某些材料被冷卻到一個臨界溫度以下後，它們將變成超導體。超導體可以無阻礙地傳導電流，主要即是因為形成電子對的電子之間互不相斥，從而可以不損耗能量穿過材料內部。

普遍認為低溫下固體材料中兩個電子之間通過某種媒介相互作用產生吸引並形成電子對是驅動超導轉變的原因，是實現材料零電阻以及超導抗磁性的關鍵。但是有別於傳統超導材料，高溫超導材料中兩兩電子組成電子對的媒介相互作用一直是個未解之謎。早在1989年國際知名理論物理學家 Chandra Varma 教授就這一問題首次提出高溫超導電子配對是由材料中周期排列的不同原子間電荷轉移形成的內生「環形電流」周期陣列的量子漲落和電子發生關聯帶來的，而且於2003年完成這一理論的數學理論框架並對實驗有明確指導和獨特的預言。但由於實驗技術手段的限制而長期無法得到實驗證實。

「這是一個非常大膽的猜測，因為從來沒有這樣的現象曾經被實驗觀測到過。」加州大學河濱分校物理與天文學教授 Varma 說。

「通過我的理論，可以精確預言提高超導材料的臨界溫度所需要的參數，」 Varma 說道，「至於化學家和實驗物理學家們如何去實現這些參數，我尚不清楚，不過理論至少指明了一個可行的方向。」

圖：中科院物理所超導國家重點實驗室 SC7 組，上圖為全景圖，下圖為 3D 示意圖

最近北京的超導國家重點實驗室（中科院物理研究所的）周興江研究組經過長達七年的積累，運用自主研發的具有自主知識產權的國際最先進深紫外激光角分辨光電子能譜儀進行了這個實驗。並和 Chandra Varma 教授以及韓國科學家一道利用深紫外激光高精度測量並獲得了不同溫度，不同動量坐標上高精度高可靠的最佳摻雜附近區域 Bi2212 單晶 ARPES 能譜，結合由 Eliashberg 理論為基礎自主開發的超導態准粒子自能函數 ARPES 能譜自洽數值分析方法，國際上首次系統性地成功提取出了該高溫超導體在不同動量方向，不同溫度超導態正常通道以及配對通道的准粒子自能函數。並以之成功驗證了 Varma 的理論。這一重要成果被發表在了最近一期 Science Advances上。

欠摻雜 89K 樣品的激光 ARPES 能譜(測量動量方向沿35度偏離節點方向) (A) T = 16K ， (B) T=107 K. (C) 大能量尺度不同溫度同一方向獲取的准粒子色散關係的比較。不同顏色標度不同的測量溫度。右下角高能部分的局部放大顯示測量的溫度穩定性好於5×10^-3(π/a).這是定量自能分析的基礎。

不過所有超導材料的超導轉變溫度還是顯著的低於攝氏零度的。即使是最「熱」的超導體也仍然需要至少冷卻到攝氏零下七十度左右。但科學家們相信他們的研究對發展室溫超導體是有幫助的。科研需步步深入，經驗要點點積累，未來將會有更多更有效的技術去減少熱量損耗，去實現更快速的電力運輸，以及去獲得更先進的科學和醫療設備。

英文作者：Alfredo Carpineti

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