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自1986年发现铜氧化物(称为铜酸盐)的高温超导性以来，科学家们一直试图了解这些材料如何在比常规超导体所需的超冷温度高几百度的温度下无电阻地导电。寻找这种奇异行为背后的机制可能为在室温下变为超导的工程材料铺平道路。这种能力可以实现无损电网，更便宜的磁悬浮运输系统和强大的超级计算机，并改变全球能源生产，传输和使用的方式。
现在，能源部(DOE)布鲁克海文实验室的物理学家解释了为什么铜酸盐变为超导的温度如此之高。在生长和分析数千个被称为LSCO的铜酸盐样品(包含镧，锶，铜和氧)后，他们确定这个“临界”温度是由电子对的密度控制的-每单位面积的电子对。这一发现在8月17日出版的“ 自然”杂志上发表，对超导性的标准理论提出了挑战，该理论认为临界温度取决于电子配对相互作用的强度。
“解决高温超导的谜团已经成为凝聚态物理学30多年来的焦点，”布鲁克海文实验室凝聚态物理和材料科学系的高级物理学家Ivan Bozovic说。“我们的实验结果为解释铜酸盐中高温超导的起源提供了基础 - 这需要一个全新的理论框架。”
我们的实验结果为解释铜酸盐中高温超导的起源提供了基础 - 这是一个需要全新理论框架的基础。
根据Bozovic的说法，铜酸盐如此难以研究的原因之一是因为需要精确的工程来生成仅含有高温超导相的完美晶体样品。
“这是一个材料科学问题。铜酸盐每单位晶胞可以有多达50个原子，这些元素可以形成数百种不同的化合物，可能会产生不同相的混合物，“Bozovic说。
这就是为什么Bozovic和他的研究团队通过使用定制设计的分子束外延系统来增加超过2500个LSCO样品，该系统将单个原子逐层放置在基板上。该系统配备了先进的表面科学工具，例如吸收光谱和电子衍射的工具，可提供有关所得薄膜的表面形态，厚度，化学成分和晶体结构的实时信息。
“监测这些特性可确保我们的样品中没有任何不规则的几何形状，缺陷或沉淀，”Bozovic解释道。
在设计LSCO薄膜时，Bozovic化学地添加了锶原子，这些原子产生的移动电子在发生超导的氧化铜层中配对。这种“掺杂”工艺允许LSCO和其他铜酸盐 - 通常是绝缘材料 - 变成超导体。
在这项研究中，Bozovic添加了超过诱导超导所需的兴奋剂水平的锶。早期对这种“过度掺杂”的研究表明，随着掺杂浓度的增加，电子对的密度会降低。科学家试图通过将其归因于与超导电极竞争的不同电子指令或由晶格中的杂质或无序引起的电子对断裂来解释这一令人惊讶的实验结果。例如，他们曾认为几何缺陷，例如被取代或缺失的原子，可能起作用。
为了测试这些解释，Bozovic和他的团队测量了他们的工程LSCO薄膜的磁性和电子特性。他们使用一种称为互感的技术来确定磁穿透深度(磁场穿过超导体的距离)，这表明电子对的密度。
他们的测量结果确定了临界温度和电子对密度之间的精确线性关系：随着添加更多掺杂剂，两者都继续减少，直到没有电子完全配对，而临界温度下降到接近零的开尔文(零下459华氏度) 。根据对金属和传统超导体的标准理解，这一结果是出乎意料的，因为LSCO变得越来越金属化，它越被过度掺杂。
“扰乱，相分离或电子对断裂将通过引入阻碍电子流动的散射产生相反的效果，从而使材料更具电阻性，即金属更少，”Bozovic说。
如果Bozovic的团队认为临界温度受电子对密度控制是正确的，那么似乎小的局部电子对位于铜酸盐变为超导的高温背后。先前的实验已经确定，在铜酸盐中电子对的尺寸比在传统超导体中小得多，传统的超导体的对很大以至于它们重叠。了解在铜酸盐中电子对如此小的相互作用是寻求解决高温超导性之谜的下一步。