通往超導的神秘中間態

超導是一種電流可以在材料中無電阻流動的現象，這一現象已經推動了數十年的研究，并有望徹底改變從遠距離輸電到量子計算等諸多領域。

然而，超導現象至今仍未被完全理解。在許多高溫超導體中，向超導態的轉變并非是從一種常規金屬態中直接產生的。相反，材料會先進入一個耐人尋味的中間區間，稱為贗能隙。在這一區間，電子開始表現出不尋常的行為，而且可供電子在材料中流動的電子態的數量會變得更少。物理學家們普遍認為，理解贗能隙，對于揭示超導背后的機制，以及設計性能更加優異的材料至關重要。

在一項于近期發表在《美國國家科學院院刊》的研究中，一個國際物理學家團隊揭示了磁性與贗能隙的之間的神秘關聯。新發現是理解非常規超導的重要一步，或將有助于設計出具備諸如高溫超導等理想特性的新材料。

從混沌到秩序

當被冷卻到較低溫度時，電子會以一種有序、交替的圖樣排列起來。由于相反方向的向上/向下自旋彼此抵消，材料整體上不表現出凈磁化（總體磁性為零）。

在含有數量不變的電子的材料中，電子會以一種有序、交替的磁性模式排列，這種模式被稱為反鐵磁性。在這種模式中，相鄰電子的自旋指向相反方向。但當電子通過一種稱為“摻雜”的過程被移除時，這種磁有序會遭到強烈擾亂。長期以來，研究人員一直認為摻雜會徹底摧毀長程磁有序。

當電子通過一種稱為“摻雜”的過程被移除時，磁有序會受到強烈擾亂，電子會組織成一個個磁性“斑塊”，而這些斑塊具有一個典型尺度——關聯長度。

在新的研究中，研究團隊轉向一個名為費米–哈伯德模型的成熟理論框架。在這一模型中，材料可被視作一張國際象棋的棋盤，電子就像“車”那樣在相鄰格點之間跳躍。電子的自旋可以是向上或向下。兩個電子只有在自旋相反、并且付出一定能量代價的情況下，才能占據棋盤上的同一個格點。借助這一模型，研究人員就能夠描繪固體內部電子之間的相互作用。在實驗中，研究團隊沒有使用真實的材料，而是用被冷卻到接近絕對零度（僅比絕對零度高十億分之一度）的鋰原子來重建該模型。這些原子被排列在一個由激光場構成的可精確控制的光學格中。

這些超冷原子構成的系統可以充當一種量子模擬器，使科學家能夠在受控條件下模擬復雜材料——這是傳統固態實驗無法做到的。此外，研究團隊還使用了量子氣體顯微鏡——這是一種能夠對單原子及其磁取向成像的設備，成功拍攝了超過35,000張單原子的高分辨率快照。這些圖像揭示了在廣泛的溫度范圍與摻雜程度內，原子的空間位置以及原子之間的磁關聯。

冷原子模擬：通過冷卻被困在光學格中的原子，研究人員可以對易出現超導性的體系開展量子模擬。最近的一項實驗揭示了贗能隙與磁關聯長度之間一種耐人尋味的標度關系。（圖/Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation）

研究結果令人驚嘆！研究人員發現，當以某一特定的溫標為橫軸作圖時，磁關聯會遵循同一種單一的普適規律（曲線/標度形態）。而這一溫標與贗能隙溫度，也就是贗能隙開始出現的那個溫度點相當。換句話說，贗能隙與隱藏在看似混沌之下的磁性模式有關。

研究人員還發現，在一區間內，電子并非只是簡單地成對相互作用。相反，它們會形成復雜的多粒子關聯結構。即便只有一個摻雜也能在出人意料的大范圍內擾亂磁有序。不同于以往研究一次只關注兩個電子之間的關聯，新研究測量了同時涉及多達五個粒子的關聯！

揭示隱藏的關聯

對理論研究者而言，這些結果為贗能隙模型提供了新的基準。更廣泛地說，這些新發現讓科學家更接近理解：高溫超導究竟如何從彼此相互作用、仿佛“跳舞”的電子的集體行為中涌現出來。通過揭示贗能隙中隱藏的磁有序，研究人員正在揭開一種機制——它或許最終與超導相關。

這項研究也凸顯了實驗與理論合作的力量。通過將細致的理論預測與高度受控的量子模擬相結合，研究人員得以識別出原本可能一直隱藏的規律。

未來的實驗將進一步冷卻該系統，尋找新的有序形式，并發展從新視角觀察量子物質的新方法。

#參考來源：

https://www.simonsfoundation.org/2026/01/19/hidden-order-in-quantum-confusion-the-pseudogap/

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2525539123

#圖片來源：

封面圖&首圖：chenspec / Pixabay