通往超導(dǎo)的神秘中間態(tài)

超導(dǎo)是一種電流可以在材料中無(wú)電阻流動(dòng)的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象已經(jīng)推動(dòng)了數(shù)十年的研究，并有望徹底改變從遠(yuǎn)距離輸電到量子計(jì)算等諸多領(lǐng)域。

然而，超導(dǎo)現(xiàn)象至今仍未被完全理解。在許多高溫超導(dǎo)體中，向超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變并非是從一種常規(guī)金屬態(tài)中直接產(chǎn)生的。相反，材料會(huì)先進(jìn)入一個(gè)耐人尋味的中間區(qū)間，稱為贗能隙。在這一區(qū)間，電子開始表現(xiàn)出不尋常的行為，而且可供電子在材料中流動(dòng)的電子態(tài)的數(shù)量會(huì)變得更少。物理學(xué)家們普遍認(rèn)為，理解贗能隙，對(duì)于揭示超導(dǎo)背后的機(jī)制，以及設(shè)計(jì)性能更加優(yōu)異的材料至關(guān)重要。

在一項(xiàng)于近期發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》的研究中，一個(gè)國(guó)際物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)揭示了磁性與贗能隙的之間的神秘關(guān)聯(lián)。新發(fā)現(xiàn)是理解非常規(guī)超導(dǎo)的重要一步，或?qū)⒂兄谠O(shè)計(jì)出具備諸如高溫超導(dǎo)等理想特性的新材料。

從混沌到秩序

當(dāng)被冷卻到較低溫度時(shí)，電子會(huì)以一種有序、交替的圖樣排列起來(lái)。由于相反方向的向上/向下自旋彼此抵消，材料整體上不表現(xiàn)出凈磁化（總體磁性為零）。

在含有數(shù)量不變的電子的材料中，電子會(huì)以一種有序、交替的磁性模式排列，這種模式被稱為反鐵磁性。在這種模式中，相鄰電子的自旋指向相反方向。但當(dāng)電子通過一種稱為“摻雜”的過程被移除時(shí)，這種磁有序會(huì)遭到強(qiáng)烈擾亂。長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直認(rèn)為摻雜會(huì)徹底摧毀長(zhǎng)程磁有序。

當(dāng)電子通過一種稱為“摻雜”的過程被移除時(shí)，磁有序會(huì)受到強(qiáng)烈擾亂，電子會(huì)組織成一個(gè)個(gè)磁性“斑塊”，而這些斑塊具有一個(gè)典型尺度——關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度。

在新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向一個(gè)名為費(fèi)米–哈伯德模型的成熟理論框架。在這一模型中，材料可被視作一張國(guó)際象棋的棋盤，電子就像“車”那樣在相鄰格點(diǎn)之間跳躍。電子的自旋可以是向上或向下。兩個(gè)電子只有在自旋相反、并且付出一定能量代價(jià)的情況下，才能占據(jù)棋盤上的同一個(gè)格點(diǎn)。借助這一模型，研究人員就能夠描繪固體內(nèi)部電子之間的相互作用。在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)沒有使用真實(shí)的材料，而是用被冷卻到接近絕對(duì)零度（僅比絕對(duì)零度高十億分之一度）的鋰原子來(lái)重建該模型。這些原子被排列在一個(gè)由激光場(chǎng)構(gòu)成的可精確控制的光學(xué)格中。

這些超冷原子構(gòu)成的系統(tǒng)可以充當(dāng)一種量子模擬器，使科學(xué)家能夠在受控條件下模擬復(fù)雜材料——這是傳統(tǒng)固態(tài)實(shí)驗(yàn)無(wú)法做到的。此外，研究團(tuán)隊(duì)還使用了量子氣體顯微鏡——這是一種能夠?qū)卧蛹捌浯湃∠虺上竦脑O(shè)備，成功拍攝了超過35,000張單原子的高分辨率快照。這些圖像揭示了在廣泛的溫度范圍與摻雜程度內(nèi)，原子的空間位置以及原子之間的磁關(guān)聯(lián)。

冷原子模擬：通過冷卻被困在光學(xué)格中的原子，研究人員可以對(duì)易出現(xiàn)超導(dǎo)性的體系開展量子模擬。最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)揭示了贗能隙與磁關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度之間一種耐人尋味的標(biāo)度關(guān)系。（圖/Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation）

研究結(jié)果令人驚嘆！研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以某一特定的溫標(biāo)為橫軸作圖時(shí)，磁關(guān)聯(lián)會(huì)遵循同一種單一的普適規(guī)律（曲線/標(biāo)度形態(tài)）。而這一溫標(biāo)與贗能隙溫度，也就是贗能隙開始出現(xiàn)的那個(gè)溫度點(diǎn)相當(dāng)。換句話說(shuō)，贗能隙與隱藏在看似混沌之下的磁性模式有關(guān)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，在一區(qū)間內(nèi)，電子并非只是簡(jiǎn)單地成對(duì)相互作用。相反，它們會(huì)形成復(fù)雜的多粒子關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。即便只有一個(gè)摻雜也能在出人意料的大范圍內(nèi)擾亂磁有序。不同于以往研究一次只關(guān)注兩個(gè)電子之間的關(guān)聯(lián)，新研究測(cè)量了同時(shí)涉及多達(dá)五個(gè)粒子的關(guān)聯(lián)！

揭示隱藏的關(guān)聯(lián)

對(duì)理論研究者而言，這些結(jié)果為贗能隙模型提供了新的基準(zhǔn)。更廣泛地說(shuō)，這些新發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家更接近理解：高溫超導(dǎo)究竟如何從彼此相互作用、仿佛“跳舞”的電子的集體行為中涌現(xiàn)出來(lái)。通過揭示贗能隙中隱藏的磁有序，研究人員正在揭開一種機(jī)制——它或許最終與超導(dǎo)相關(guān)。

這項(xiàng)研究也凸顯了實(shí)驗(yàn)與理論合作的力量。通過將細(xì)致的理論預(yù)測(cè)與高度受控的量子模擬相結(jié)合，研究人員得以識(shí)別出原本可能一直隱藏的規(guī)律。

未來(lái)的實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步冷卻該系統(tǒng)，尋找新的有序形式，并發(fā)展從新視角觀察量子物質(zhì)的新方法。

#參考來(lái)源：

https://www.simonsfoundation.org/2026/01/19/hidden-order-in-quantum-confusion-the-pseudogap/

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2525539123

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：chenspec / Pixabay