准粒子云出现在高温超导体的锌杂质上方，证实了关于其潜在物理学的几种理论。 |
保险丝熔断和电线烧毁就像税收和死亡一样不可避免。但如果科学家能够创造出在室温下超导的材料，情况就并非如此了。到那时，即使是细如发丝的电线也可能承载大量电流而没有电阻，也不会将任何能量损失为热量。许多新技术，包括磁悬浮高速列车，可能会成为现实。
事实上，科学家最近在实现室温超导体方面又迈进了一步——通过更多地了解目前来说次好的东西：所谓的高临界温度，或Tc，超导体。这些氧化铜陶瓷于1986年被发现，比金属合金超导体实用得多。金属合金必须冷却到接近绝对零度的温度，其电阻才会降至零，而陶瓷则不需要那么冷。
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新的结果证实，这些陶瓷在另一个关键方面也有所不同。加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室和东京大学的Seamus Davis及其同事已经证明，一种不同的机制解释了高温Tc陶瓷中的超导性。他们在2月17日出版的《自然》杂志上报告了他们的发现。
BSCCO是一种复杂的层状氧化铜，在相对较高的临界温度下变为超导。 |
戴维斯及其同事知道，在金属中，这种性质源于晶格中的振动。在陶瓷中，他们怀疑是强相互作用的成对电子在氧化铜层中移动——但需要证据。为此，他们决定扰乱一种名为BSCCO的高温超导体中的氧化铜层，BSCCO还包含氧化铋、氧化锶和钙层。
该小组用锌杂质取代了BSCCO中的铜原子——任何成对电子的来源——锌杂质肯定会散射电子。他们使用自制扫描隧道显微镜（STM）观察发生了什么。戴维斯及其同事设计的这种仪器可以在低至零度以上0.25度的温度下运行。一个超细尖端，宽度仅为几个原子，掠过样品表面，产生电流，电子可以通过电流“隧穿”。这种隧穿会导致尖端发生轻微位移，这些位移被转化为地形图像。
STM在本实验中生成的图像显示，在锌原子上方存在明亮的十字形准粒子云，准粒子是集体表现得像自由电子的电子激发态。这些云延伸约10埃，其四重对称性表明存在所谓的d波，即准粒子角动量的函数。这些d波——理论预测的——是该小组验证高温临界温度超导性是由强相互作用的成对电子介导所需的证据。
第二朵云，从第一朵云旋转了45度，并且大三倍，这在理论上没有预测到。 |
“这是首次在铜酸盐氧化物等复杂材料中的单个杂质原子上展示准粒子成像和隧道光谱，”戴维斯补充说。“实验设计很简单——将一个杂质原子放在一个重要的位置，看看会发生什么——但这项技术非常强大，它开辟了全新的研究途径，包括开发奇特新材料的潜力。我们已经表明，即使是结构和电子性质非常复杂的材料也可以一次研究一个原子。”
戴维斯的图像揭示了更多信息。除了证实高温Tc超导性的实际物理原理外，这些图片还验证了所谓的瑞士奶酪模型，该模型描述了锌杂质周围非超导区域的大小和形状。照片还显示了锌杂质上方较弱的第二朵十字形准粒子云，它比第一朵云旋转了45度，并且大了三倍。
这个神秘的特征只是该小组希望在未来几个月内解决的几个谜题之一。他们计划继续他们的工作，使用不同的陶瓷高温Tc超导体和锌以外的杂质。他们还将测试为他们的STM制造的新型超导尖端。这种尖端是同类产品中的第一个，由铌制成，可在高达7.2特斯拉的磁场中工作。“没有人知道制造新型更高温度超导体的精确配方，”戴维斯说。但他肯定会尝试找到它。