揭示高温超导中的“量子塞车”效应

伤我心太深

这幅图同时展现了铜酸盐高温超导体的两种状态。每个圆环代表两个电子形成的库珀对，它们的结合能相对较低，可以实现超流性。而图中的虚线模式则表明电子对的能量更高，处于“量子塞车”态，这时的材料就是Mott绝缘体。（图片来源：J.C. Seamus Davis）

美国和日本科学家的一项最新研究，找到了解释高温超导中一个重要问题的实验依据。这一发现有助于人们理解为何增加电子结合能无法提升高温超导体的临界温度（即转变温度，Tc）。相关论文发表在8月28日的《自然》杂志上。

增加电子结合能可提升超导体临界温度的认识源于传统的低温超导体，这些材料只有在接近绝对零度时才会出现超导性。科学家研究发现，低温超导体中存在典型的电子对——库珀对，同时，这些电子结合得越紧密，超导体的转变温度就越高。

不过，与这些金属性超导体相比，在高温超导材料（比如铜酸盐）中增加电子的结合能，其结果只会适得其反——转变温度变得更低，而不是人们希望看到的室温目标。美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）和康奈尔大学的物理学家J.C. Seamus Davis说，“要解释为何会出现这种情况是一件很困难的事情。”

在最新的研究中，Davis等人和康奈尔大学、日本东京大学、加州大学伯克利分校以及卡罗拉多大学的科学家们一道证实，随着电子对结合能的增加，电子发生“量子塞车”（术语为Mottness）的趋势也越明显，这会让材料彻底丧失成为超导体的必要条件——自由流动的电子对。Davis说，“我们已经制作了动画，来展现这种由能量导致的‘塞车’。”

正常情况下的铜酸盐是绝缘体，其中每个铜原子都有“自由”电子，但它们处于一种特殊的状态——Mott绝缘态（即“塞车”状态），因此无法自由移动。如果通过空穴掺杂（hole doping）方法移除其中的一些电子，那么剩余的电子就能够开始从一个原子流向下一个。本质上，这一过程将绝缘体变成了金属态。Davis说，“这就好比在高峰时间从公路上拿掉一些车辆，突然间，整个交通就开始运行。”

科学家已经提出理论认为，铜酸盐中电子如何流动起来的机制依赖于形成超导库珀对的电子间磁相互作用。通过扫描隧道显微镜进行“准粒子干涉成像”，Davis等人研究了铜酸盐超导体的电子结构。结果表明，当从系统中移除空穴后，电子间的磁相互作用变得更强。因此，当电子对的结合能增加时，“量子塞车”效应会提升得更快，减弱超电流的流动能力。

Davis表示，“新研究从本质上表明，人们认为的增加系统超导电性所需的强磁相互作用同时会促使系统更接近‘量子塞车’态，这种缺乏空穴的情况把电子紧紧锁住，无法移动。这就好比把许多辆车加满油，然后让它们一起挤在公路上。能量确实很多，但却哪都去不了。”

新的研究证据有望带来更精确的理论认识，在此基础上，科学家就可以开始探索各种解决办法了。“我们需要找到一些既能形成强电子对但又不表现出Mottness性的材料。”

布鲁克海文实验室的科学家目前正在研究新近发现的铁基高温超导材料，而他们的希望就是这些材料的“塞车”效应能够少点。（