由SLAC国家加速器实验室制作
你怎么知道一种材料是不是超导体？这里展示了四个经典签名
从左到右:1)当冷却到一定温度以下时，它无电阻导电
2)它排出磁场，所以放在它上面的磁铁会悬浮起来
3)当材料转变为超导状态时，它的热容量——将温度升高一定量所需的热量——显示出明显的异常
4)在同一个转变点，它的电子配对并凝结成一种电子汤，允许电流自由流动
现在，SLAC和斯坦福大学的实验已经在铜酸盐中捕捉到了第四个信号，铜酸盐在相对较高的温度下会变成超导的，并且表明它发生在两个不同的步骤和非常不同的温度下
详细了解这是如何发生的，为研究这些神秘材料提供了一个新的非常实用的方向
信用:格雷格·斯图尔特，SLAC国家加速器实验室 35年前，当一种令人兴奋的、非传统的新型超导材料被发现时，研究人员欢呼雀跃
像其他超导体一样，这些被称为铜氧化物或铜酸盐的材料在低于某一温度时导电，没有电阻或损耗，但温度比科学家想象的要高得多
这增加了让它们在接近室温的温度下工作的希望，以实现完全高效的电力线和其他用途
研究很快证实，它们显示了向超导状态转变的两个更经典的特征:随着超导性的发展，材料排出磁场，因此放置在材料块上的磁体将悬浮在表面上方
它的热容量——将它们的温度升高一定量所需的热量——在转变过程中表现出明显的异常
但是，尽管几十年来用各种实验工具进行了努力，第四个特征(只能在微观尺度上看到)仍然难以捉摸:当材料从正常状态转变为超导状态时，电子配对并凝结成一种电子汤的方式
现在，美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的一个研究小组终于揭示了第四个信号，它是用角度分辨光电发射光谱学(ARPES)进行的精确、高分辨率测量，ARPES利用光从材料中喷射电子
测量这些喷射电子的能量和动量揭示了材料内部电子的行为
在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究小组证实，他们研究的铜酸盐材料，被称为Bi2212，通过两个不同的步骤，在非常不同的温度下转变为超导态
“现在我们非常详细地知道了超导转变发生了什么，我们可以考虑如何在更高的温度下实现这一点，”苏迪·陈说，他在博士期间领导了这项研究
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斯坦福大学的学生
“这是一个非常实用的方向
" 斯坦福大学教授支是斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)的研究员，负责监督这项研究，他说:“这是15年来试图理解这些材料的电子结构的科学探索工作的高潮，它为非常规超导的整体图景提供了缺失的一环
我们知道，当成对的电子凝聚成一个量子凝聚体时，这些材料会产生独特的光谱信号；令人惊奇的是，花了这么长时间才找到它
" 非常规过渡 在1911年发现的传统超导体中，电子克服了相互排斥，形成了所谓的库珀对，这种对立即凝结成一种电子汤，使电流能够不受阻碍地流动
SLAC和斯坦福大学的实验揭示了超导转变的一个关键特征——一种材料从正常状态转变到可以零损耗导电的状态
他们使用光束(从图中右侧进入)从铜氧化物超导体中喷射电子，然后测量喷射电子的能量(中心)
这些精确的、高分辨率的测量表明，超导转变，即电子配对并凝结成一种电子汤，在这些材料中以两个不同的步骤和两个不同的温度发生，结束了15年旨在详细了解这一转变的科学探测工作
信用:清华大学 但是在非常规的铜酸盐中，科学家推测电子在一个温度下配对，但是直到它们冷却到明显更低的温度才凝结；只有在这一点上，材料才会变成超导的
虽然这种转变的细节已经用其他方法探索过了，但直到现在，它还没有被研究物质如何吸收光和发射电子的微观探针如光电发射光谱所证实
这是衡量材料中电子行为的重要独立指标
沈在斯坦福大学开始他的科学生涯时，新的铜氧化物超导体的发现刚刚曝光，他花了三十多年的时间来揭开它们的秘密，并改进光电发射光谱技术作为实现这一目标的工具
在这项研究中，日本合作者制作的铜酸盐样品在ARPES的两个实验室进行了检测，一个在沈的斯坦福实验室，配备了紫外激光器，另一个在的斯坦福同步辐射光源(SSRL)，由的工作人员科学家和长期合作者桥本诚和陆东辉帮助
剥一个物理洋葱 桥本说:“最近这些仪器整体性能的提高是获得这些高质量结果的重要因素。”
“它们让我们能够更加精确、稳定和一致地测量喷射电子的能量
" 陆补充说:“全面了解高温超导的物理特性是非常具有挑战性的
实验学家使用不同的工具来探索这个难题的不同方面，这提供了更深刻的见解
" 沈说，对这些非常规材料的长期研究就像从洋葱上剥层一样，揭示了其中令人惊讶和有趣的物理现象
现在，他说，证实向超导性的转变分两步进行，“给了我们两个旋钮，我们可以调整，使材料在更高的温度下超导。”
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