研究发现磁性可以帮助电子在高温超导体中消失

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。"