物理学家聆听电噪声破解超导体谜题：铜氧化物赝能隙与电子配对有关

超导体可无电阻传输电流，但大多数只在绝对零度以上几度起作用。上世纪80年代末发现的铜基铜氧化物能在液氮所及的更高温度下超导，近40年来其原理仍无定论。慕尼黑大学米兰·艾伦与乌得勒支大学英格马尔·斯瓦特领衔的团队在近期《科学》研究中，通过聆听流入铜氧化物的微弱电流噪声给出部分答案。核心是称为赝能隙的状态。艾伦说这是“电子缺失的现象”：进入超导前的更高温度下，部分电子似乎消失，其应出现的能量处测到的电子远少于预期，不同探针都能看到，但无人知道原因。两种主要解释是：电子被困在电荷密度波等冻结结构中，超导另行出现；或电子因结成运载超导电流的库珀对而“失踪”。若它们在真正超导前就已出现，便是前提：对已存在，却还不能同步运动。团队聆听散粒噪声，即单个电荷到达形成电流时的微小涨落。雨点若变成两倍重，噪声会更大；电子若成对到来也一样。他们用扫描隧道显微镜在针尖与样品间通电流。传统超导体中配对会使噪声干净地加倍；铜氧化物中信号较弱，因单个电子仍与电子对并行流动。团队研究冷却到绝对零度以上几度的BSCCO晶体，并调节电压选择所听电子的能量。若赝能隙纯粹来自冻结图案，配对噪声应只出现在与超导相关的能级；结果配对恰好出现在赝能隙能量处。艾伦说，噪声增大表明配对与这个大能隙有关。赝能隙能量在表面各点不同，但额外噪声总是从当地赝能隙能量升起，不同成分的样品也如此。关键核验是将样品置于最高6特斯拉磁场以抑制配对，并大体保留电子缺失图案；磁场增强后，噪声回落到接近单电子水平，与电子对预期相符。传统超导体中，配对形成与相位相干在临界温度同时发生，即电子开始如流体般一起运动。该研究显示铜氧化物顺序不同：测到的配对能量远高于材料进入超导的温度。斯瓦特说，先有预形成的电子对，再在更低温度下出现相位相干，因此瓶颈不在让电子配对，而在让电子对一起运动。艾伦说，既然配对能量如此高，或许能把超导温度推得更高。乐观看法认为只需让这些或可室温配对的电子相干，即可得到室温超导体，但团队认为这有些天真，因还有各种耦合效应。实验排除了赝能隙仅由冻结图案造成的说法，但不能排除这些图案与配对交织；斯瓦特说，无论解释如何，配对都应是其中一部分。该技术随温度升高会失去灵敏度，团队还无法在通常定义赝能隙的超导温度以上聆听。艾伦希望其他组补做测量，并最关心什么限制了超导温度。斯瓦特希望绘制更高分辨率噪声图，并造出能直接探测相干的仪器。