意外地发现的超导性
超导性——材料以绝对零电阻导电的现象——自1911年被发现以来就令物理学家们着迷。在其科学史的大部分时期，超导性被理解为一种低温现象：将某些材料冷却至接近绝对零度，其电子组织成协调的对，通过材料的晶格结构移动而不会散射或损失能量。解释这种行为的理论框架被称为BCS理论，由其开发者Bardeen、Cooper和Schrieffer命名，在解释常规超导体方面取得了巨大成功。
但自然界很少受限于其最便利的解释。一项新研究记录了一个引人注目的例子：在具有尖晶石晶体结构的材料中压力诱导的超导性——这种原子排列方式在广泛的矿物和合成化合物家族中找到——其行为方式是BCS理论无法直接预测的。这种材料中的超导性不仅仅通过冷却而产生，而是通过应用高压来实现的，并且以一种暗示异常电子机制在起作用的方式进行。
这一发现为何重要
尖晶石结构是一类化合物，通式为AB2X4，其中A和B是金属阳离子，X通常是氧或硫。它们在自然界中很常见——宝石尖晶石本身，以及磁铁矿和铬铁矿，都属于这个家族——并因其磁性和电子特性而被广泛研究。在尖晶石化合物中发现压力诱导的超导性值得注意，不仅是因为现象本身的存在，还因为它表现的特定方式。
在常规压力诱导超导体中，压力通常通过改变晶格的几何形状来起作用——以改变导致Cooper对形成的电子-声子耦合的方式将原子压在一起。研究人员在这个尖晶石化合物中观察到的现象并不能完全适应这个框架。压力似乎在触发一种更复杂的电子重组，可能涉及轨道自由度或竞争的磁性和超导序参数，这些是标准BCS理论无法捕捉的。
这种非常规超导性是研究的热点，部分原因是它可能为仍未解决的高温超导性谜团提供线索。如果物理学家能够理解为什么某些材料通过不需要极度冷却的机制变成超导体，大门就为设计在室温或接近室温下超导的材料打开——这种发展对能量传输、医学成像、量子计算和无数其他技术将是变革性的。
高压物理的实验挑战
在诱导这种超导性所需的极端压力下研究材料在技术上很具有挑战性。研究人员通常使用金刚石砧室——将微小样品夹在两颗宝石级钻石之间并将其压缩到以吉帕为单位的压力的装置，模拟行星深处发现的条件。在这些条件下测量电学性质，特别是超导转变，需要极其灵敏的仪器。
研究人员将电阻测量与X射线衍射和其他结构探测相结合，以跟踪在一系列压力和温度下的电子行为和晶体结构。他们确定了超导性在特定压力阈值处的出现，并表征了转变温度如何随进一步的压力变化而演变。所得的相图讲述了竞争电子态的故事，理论物理学家现在需要解释。
对材料发现的影响
这项工作更广泛的意义在于它所说的潜在超导材料的景观。在1986年发现铜氧化物化合物中的高温超导性后的数十年间，对新超导体的搜索在很大程度上是经验性的——尝试一种新化合物，冷却它，看阻力是否降至零。认识到压力可以在常温条件下无超导迹象的材料中释放超导性，戏剧性地扩大了搜索空间。
仅尖晶石家族就包含数百种具有不同元素组成的化合物。如果驱动这个特定尖晶石超导性的机制能够在理论上被理解并进行计算建模，就有可能理性地而不是通过试错来筛选其他尖晶石化合物——以及可能其他结构家族——寻找类似的潜力。应用机器学习于材料发现的材料信息学工具已经被调整来预测哪些化合物可能在压力下表现出非常规超导性，而这个尖晶石结果的实验确认为这些方法提供了一个新的数据点来校准。
应用的漫长道路
重要的是清楚地认识到实验室发现压力诱导超导性与任何实际应用之间的距离。高压超导性需要在实际设备中难以维持的条件。这项研究最直接有价值的成果是理论性的——它为非常规超导性的谜团增加了新的一块，并可能指向设计在常温条件下实现类似电子态的材料。
超导性研究的历史是在多种材料上耐心积累实验和理论理解的历史，随之而来的是偶尔的飞跃，其中一类新的化合物在意想不到的更高温度和更低压力下出现。每一个新的非常规机制的发现，仔细记录和深入理解，都是朝着这些飞跃的一步。尖晶石晶体作为压力诱导超导体的秘密生活是其中的一步。
这篇文章基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org