高温超导体研究表明“奇怪的金属”可能是“纠缠的物质”

插图显示了当在称为掺杂的过程中调整自由流动电子的密度时，超导铜酸盐的正常状态是如何突然改变的。当“奇怪的金属”状态（左）接管时，传统金属（右）特有的类粒子激发消失了。

每个角色都有一个故事，高温超导体也有一个故事。高温超导体在比科学家曾经认为的可能高得多的温度下无损耗地导电。为了弄清楚它们的工作方式，研究人员需要了解它们的“正常”状态，当材料冷却到临界转变温度以下并且在“掺杂”过程中调整自由流动电子的密度时，就会产生超导性。

“这项研究从本质上推翻了一个非常流行且引起激烈争论的理论，称为量子临界点理论，该理论被认为是超导性的基础。”

即使在正常状态下，这些材料也非常独特。现在，能源部SLAC国家加速器实验室的一项实验比以往任何时候都更精确地探测了正常状态，并发现了电子行为的突然转变，在这种转变中，它们突然放弃了自己的独立性，表现得像电子汤。

SLAC和斯坦福大学的一个研究小组在《科学》杂志上描述了这些结果。

日内瓦大学研究员，未参与此项研究的德克·范·德·马雷尔（Dirk Van Der Marel）说：“这种正常状态的异常被怀疑是这些超导体之所以如此优秀的原因。

“这项研究从本质上推翻了一个非常流行且引起热烈讨论的理论，称为量子临界点理论，该理论不仅在这种材料中而且在其他材料中都奠定了超导性的基础。这是一个颠覆性的发现，但它是向前迈出的一步，因为它使我们有更多的精力去探索其他想法。”

探索知名的铜币

该研究是在一种名为Bi2212的化合物上进行的，Bi2212是研究最深入的高温超导体之一。作为氧化铜或铜酸盐，它是30多年来首次发现高温超导性的化合物家族的一部分。

从那以后，全世界的科学家一直在努力了解这些材料的功能，目的是寻找在接近室温的条件下工作的超导体，以用于诸如高效电力线等应用。

研究这些材料的最重要工具之一是角分辨光发射光谱（ARPES）。它使用光（在这种情况下，这是来自SLAC的斯坦福同步加速器辐射光源（SSRL）的一束紫外线）将电子从材料中踢出并测量其能量和动量。这揭示了材料内部电子的行为方式，进而决定了其性能。

例如，在超导性中，电子克服了相互排斥，形成了一种集体汤，它们可以配对并流过障碍物而不会损失任何能量。

沮丧的电子

仅在极低温度下工作的所谓常规超导体的较早一代是处于正常状态的常规金属，它们的电子像大多数材料一样独立地起作用。

但是在铜币中，情况却大不相同。即使在正常的非超导状态下，电子似乎也能够互相识别并共同起作用，就像它们在彼此周围拖拉一样，处于所谓的“奇异金属”甚至“非相干奇异金属”行为。

负责这项研究的斯坦福大学和SLAC教授，斯坦福大学材料与能源科学研究所（SIMES）的研究人员沉志勋说：“从某种角度来说，您可以认为这些电子受到了挫折。”“换句话说，电子已经失去了个体身份，成为汤的一部分。用理论的方式来描述这是一个非常有趣，具有挑战性的状态。”

斯坦福大学的研究生Su-Di Chen说，在SLAC博士后研究员Yu He，Stanford博士后He Jun-Feng He和SSRL科学家桥本诚（Makoto Hashimoto）进行实验后，很难在温暖的温度下探索这些令人着迷的正常状态。SLES的研究的理论部分由SIMES主管Thomas Devereaux领导。

惊人的尖锐边界

Chen说，在ARPES实验中，通常将样品放置在真空室内的寒冷环境中，以最大程度地减少表面污染。“但是，即使将它们置于超高真空中，残留的气体分子仍会附着在样品表面上，并影响我们的测量质量。当您将样品周围的环境加热到存在正常状态的温度时，这个问题会变得更加严重。”

桥本说，为了解决这个问题，研究小组找到了一种方法来加热样品，该方法大约是圆珠笔笔尖大小的一种，方法是加热保持样品的部分，同时保持其他所有物体的温度不变。这样一来，他们就可以在一定温度和掺杂水平范围内检查电子的行为。

桥本说：“我们看到的是，随着掺杂水平的提高，边界将变得非常尖锐。”“一方面，电子被卡住或受阻。然后，随着添加更多的电子，它们突然开始平稳移动，这表明该材料现在是常规金属。众所周知，这种转变确实会发生，但是如此之快的事实真是令人惊讶。”

理论挑战

该论文的合著者是荷兰莱顿大学的理论物理学家扬·扎南（Jan Zaanen）说，这一结果对仍在努力解释高温超导体如何工作的理论家提出了挑战。

他说，目前的理论预测，由于Bi2212的性质在非常低的超导温度下是逐渐变化的，因此在材料处于正常状态的更高温度下，它们也应该是逐渐变化的。相反，高温变化是突然的，就像一锅水开始沸腾时会发生什么：您可以在烤锅中看到水或蒸汽气泡，但两者之间什么也看不见。

Zaanen说：“有很多理由认为，正常状态下的这种奇怪的金属可能是紧密缠结的物质的一个例子。”纠缠是量子世界的特性，它与经典世界有明显的区别。我们没有可以描述它的理论机器，无论是经典计算机还是可用的数学！

他说：“但是量子计算机的设计目的是处理这种密集纠缠的东西。”“我的梦想是，这些结果最终将落在量子计算界要解决的基准问题列表的首位。”

参考：陈素迪，桥本诚，何和，宋东俊，徐可俊，何俊峰，托马斯·德沃罗，卫崎弘，卢东辉“ Bi2​​212中的关键掺杂急剧地限制了非相干的奇怪金属” ，Jan Zaanen和Shen Zhi-Xun，2019年11月29日，《科学》。
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SSRL是美国能源部科学办公室的用户设施。该研究的样品由日本国立先进工业科学技术研究所的Eisaki Hiroshi种植。这项工作是由美国能源部科学办公室资助的。