超导之谜原来如此：科学家在超导体中，直接观察到一种量子效应！
由普林斯顿大学科学家领导的一个国际团队，直接观察到了一种含铁高温超导体中令人惊讶的量子效应。超导体在没有电阻的情况下导电，使其在长距离电力传输和许多其他节能应用中很有价值。传统超导体只能在极低的温度下工作，但大约十年前发现的某些铁基材料可以在相对较高温度下进行超导，并引起了科学家们的注意。铁基材料中超导电性究竟是如何形成的是一个谜，特别是因为铁的磁性似乎与超导电性的出现相冲突。
对铁基超导体等非常规材料的更深入研究，可能最终促使下一代节能技术的新应用。科学家们探索了添加杂质（即钴原子）时铁基超导体的行为，以探索超导性是如何形成和消散的。其发现使科学家们对60年前关于超导行为的理论有了新认识，其研究成果现在发表在《物理评论快报》期刊上。普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授M·扎希德·哈桑(M.Zahid Hasan)领导了该研究团队：添加杂质是了解超导体行为的一种有用方法，这就像通过投掷石头来探测湖中水的波浪行为。
超导特性对杂质的反应方式揭示了它们量子级细节的秘密。一个由来已久的想法被称为安德森定理预测，虽然添加杂质可以将无序引入超导体，但在许多情况下，它不会破坏超导电性。这个定理是1959年由诺贝尔奖获得者物理学家菲利普·安德森(Philip Anderson)提出，他也是普林斯顿大学的约瑟夫·亨利(Joseph Henry)物理学教授，荣休。但总有例外：钴似乎是这些例外之一，与理论相反，钴的加入迫使铁基超导体失去超导能力，变得像普通金属一样，电以电阻流动，并以热的形式浪费能量。
到目前为止，还不清楚这是如何发生的，为了探索这种现象，普林斯顿大学研究团队使用了一种被称为扫描隧道显微镜的技术，这种技术能够对单个原子进行成像，以研究一种由锂、铁和砷制成的铁基超导体。将钴原子形式的非磁性杂质引入超导体，以观察它的行为。科学家们在极低的温度下测量了大量样品，约为零下237.78摄氏度(400毫开尔文)，比外太空低近10华氏度。在这些条件下，研究人员定位并测量了晶格中的每个钴原子。
然后直接测量了它在原子局部尺度和样品全局超导性质上对超导电性的影响。为了做到这一点，研究人员在这些极低的温度下，以原子水平的分辨率研究了超过30个不同浓度的晶体。该研究的第一作者Songtian Sonia Zhang说：不能保证任何给定的晶体都会提供所需要的高质量数据。作为这个广泛实验的结果，研究小组发现每个钴原子都有一个有限的局部影响，在距离杂质的地方消失了一个或两个原子。然而，随着钴浓度的增加，通过相变进入正常的非超导状态，有一个强大的系统演化，通过引入更多的钴原子，超导电性最终被完全破坏。
超导性是由于两个电子配对形成一个量子态，这种量子态由一种称为波函数的性质描述。这种配对使得电子可以快速穿过材料，而没有日常金属中发生的典型电阻。散射电子和打破电子对所需的最小能量称为“超导能隙”。当加入钴原子时，散射强度可以用两种方式来描述：强极限和弱极限。以物理学家Max Born命名的玻恩极限散射具有最弱干扰电子波函数的潜力，这些电子波函数对电子-电子相互作用以及电子配对至关重要，通过取代铁原子，钴原子表现为出生极限散射体。
虽然玻恩极限散射体具有相对较弱破坏超导电性的潜力，但当许多散射体结合在一起时，它们会破坏超导电性。科学家发现，对于砷化亚铁锂材料，在玻恩极限的散射显然能够违反安德森定理，导致从超导状态到非超导状态的量子相变。超导材料可以用称为隧穿光谱的特征来描述，该特征提供了对材料中电子行为的描述，并充当电子的能量分布剖面。砷化亚铁锂材料具有所谓的“S波”间隙，其特征是超导能量间隙中的平坦“U”形底部，完全打开的超导间隙表示超导材料的质量。
令人惊讶的是，钴杂质不仅抑制了超导电性，还改变了性质，因为它从U形演变为V形。超导带隙的形状通常反映了描述超导性质的“序参数”。这样的形状是有序参数的特征，这些有序参数只出现在唯一数量的高温超导体中，并且暗示着极非常规的行为。通过改变序参数（例如，通过改变超导带隙的形状而反映在测量中）的表观转变只会增加量子之谜。这种演变是不寻常的，并促使科学家深化他们的研究，通过将理论计算与磁性测量相结合，能够确认钴散射的非磁性性质。
由于安德森定理指出，非磁性杂质对这种类型的超导体几乎没有影响，研究人员意识到必须开发另一种理论。在铁基超导体中，科学家们推测，在不同的“费米口袋”（由于电子占据规则晶体结构而形成的能量计数）超导有序参数的相位有符号变化。Hasan团队的博士后研究员、该研究的合著者Ilya Belopolski表示：区分常规超导和符号改变超导需要对超导序参数进行相敏测量，这可能是极具挑战性的，研究实验的一个好的方面是，通过考虑违反安德森定理，可以绕过这一要求。
事实上，科学家们发现，通过在超导电性的序参数中引入这种符号变化，能够复制钴杂质的奇数演化。除了这些最初的计算之外，还采用了另外三种最先进的理论方法来证明非磁性钴散射体对这种符号变化超导体的影响。三个不同的理论模型都指向同一个解释的事实表明，这是一个强有力的结论，在寻求解决超导之谜的过程中，开发出了并不总是彼此一致的复杂模型。在这种情况下，与模型无关的结果明确地指出，这是一种符号变化的奇异超导体，最初并没有被安德森的研究考虑到。
博科园｜研究/来自：普林斯顿大学
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.217004
博科园｜科学、科技、科研、科普
关注【博科园】看更多大美宇宙科学