研究发现磁性可以帮助电子在高温超导体中消失

导读：超导体，也就是电流在其中无阻力流动的金属有望成为不久的将来的决定性材料，并且已经被用于医疗成像机器、药物发现研究以及Google和IBM正在建造的量子计算机。

物理学家Brad Ramshaw表示，超导体，也就是电流在其中无阻力流动的金属有望成为不久的将来的决定性材料，并且已经被用于医疗成像机器、药物发现研究以及Google和IBM正在建造的量子计算机。然而，传统超导体运作所需的超低温度几乎都接近于高于绝对零度的几度，使它们过于昂贵而无法广泛使用。

在寻找更有用的超导体的过程中，文理学院（A&S）Dick & Dale Reis Johnson物理学助理教授Ramshaw及其同事发现，磁性是理解"高温"超导体中电子行为的关键。有了这一发现，他们已经解开了围绕这类超导体30年的谜团，这类超导体在更高的温度下发挥作用，比绝对零度高100多度。他们的论文《杯状超导体伪隙临界点的费米表面转变》于2022年3月10日发表在《自然-物理学》上。

"我们想了解是什么让这些高温超导体发挥作用，并将这种特性设计到其他一些更容易被技术采用的材料中，"Ramshaw说。高温超导体的一个核心奥秘是它们的电子会发生什么。"所有的金属都有电子，当一种金属成为超导体时，电子会相互配对。我们测量了一种叫做'费米表面'的东西，你可以把它看作是一张显示金属中所有电子位置的地图。"

为了研究电子如何在高温超导体中配对，研究人员通过一个被称为化学掺杂的过程不断改变电子的数量。Ramshaw说，在高温超导体中，在某个"临界点"，电子似乎从费米表面图中消失了。

研究人员将目光锁定在这个临界点上，以弄清是什么让电子消失的，以及它们去了哪里。他们使用世界上最强的稳态磁铁，即位于佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室的45特斯拉混合磁铁，来测量铜-氧化物高温超导体的费米表面，作为电子浓度的函数，就在临界点附近。

他们发现，当研究人员拨过临界点时，费米表面完全改变。"这就好像你在看一张真实的地图，突然间大部分大陆都消失了，"Ramshaw说。"这就是我们发现高温超导体的费米表面在临界点发生的情况--一个特定区域的大部分电子在地图的一个特定部分突然消失了。"

Ramshaw说，对研究人员来说，重要的是不仅要注意到电子正在消失，而且要注意到哪些电子正在消失。

物理学博士生、论文第一作者Yawen Fang说，他们根据几种理论建立了不同的模拟模型，并测试它们是否能解释数据。"最后，我们获得了一个模型，这是与磁性相关的模型，"Fang说。"我们正自信地从材料中被充分理解的一面，以我们的技术为基准，步入过了临界点的神秘一面。"

现在他们知道了哪些电子会消失，研究人员有了一个想法--它与磁性有关。

Ramshaw说："一直以来都有暗示，在高温超导体中，磁性和超导性是相关的，而我们的工作表明，这种磁性似乎就在临界点出现，并吞噬了大部分的电子。这个临界点也标志着在最高温度下发生超导性的电子浓度，而更高温度的超导体是这里的目标。"知道临界点与磁性有关，就能深入了解为什么这些特定的超导体具有如此高的转变温度，甚至可能在哪里寻找具有更高转变温度的新超导体。

康奈尔大学Kavli研究所纳米科学博士后、共同第一作者Gaël Grissonnanche说："这是一个在我们的研究之前已经存在了30年的辩论，而我们得出了一个直接的答案。"