在令人意外的温度下，电子配对了！

超导材料最初发现于1911年。当时，物理学家昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）正在研究汞（Hg）的电学特性，他发现当将一根汞线冷却到约4K（比绝对零度高4度）时，汞的电阻会骤然消失。汞也因此成为第一个被发现的超导体。

自超导体被发现以来的一个多世纪里，超导体和它们神秘的原子特性让众多科学家惊叹不已。但众所周知的是，大多数超导体通常只能在极冷的温度下运作。当温度升高时，它们就会变成普通导体，即当有电流流过时，会出现能量损耗。在有的情况下，它们甚至会变成根本无法导电的绝缘体。

一直以来，科学家都在试图努力找到能在更高温度下发挥超导性的材料，突破低温超导的瓶颈。发现或制造出这样的高温甚至室温（300K）超导材料，将会改变一系列现代技术。

在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一组研究人员取得了一项突破性的发现，或许能有助于发展出在更高温度下运作的超导体：他们检测到电子配对——超导的一个关键特征，在比以前认为的高得多的温度下发生了。

  同步的舞蹈 

在过去的一百年里，物理学家对超导体的工作原理进行了很多深入的研究。例如，我们知道，要使一种材料具有超导性，电子就必须配对，并且这些电子对必须是相干的——也就是说，它们的运动必须同步；如果材料中的电子配对但非相干，那么这种材料可能最终会成为绝缘体。

为了更好的理解，我们可以将超导体中的电子，类比成舞会上的两个沉默寡言的人。一开始，双方都不想和对方跳舞。随着音乐中出现了两个人都喜欢的歌曲，他们开始放松并注意到对方，远远地被吸引——这时，配对已经发生，但还没有变得相干。

超导材料中的两个电子从不同步到同步。（图/Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）

接着，音乐里又播放了一首两人都非常喜欢的新歌。突然间，两个人结成一对，开始跳舞。很快，舞会上的每个人都开始跟着他们跳：所有人都走到一起，开始伴着同一首新歌跳舞——这时，整个舞会都变得相干了。这就是超导态。

在新的研究中，研究人员观察到了一种中间阶段——电子们已经完成了“目光锁定”，但还没有“跳舞”。

  非常规的铜氧化物  

事实上，在超导体被首次发现后不久，就有科学家发现，使电子配对并“跳舞”的，是材料本身的振动。这样的电子配对发生在一类被称为常规超导体的超导材料中。科学家对常规超导体已经有了较好的理解，这类超导体的工作温度通常较低，通常只在25K以下才表现出超导性。

还有一类被称为非常规超导体的材料则可以在更高的温度下进入超导态。铜氧化物便是非常规超导的例子。有时它们可以在高达130K的温度下进入超导态。科学家认为，在铜氧化物中，存在晶格振动之外的某种东西促进了电子配对。不过，这背后的详尽机制还不得而知。了解是什么驱动了铜氧化物中的电子配对，有助于科学家设计出能在更高温度下运作的超导体。

在新的研究中，研究人员选择了一族尚未被深入研究过的铜氧化物，Nd_2-xCe_xCuO₄。与其他铜氧化物相比，这类铜氧化物的最高超导温度相对较低，只有25K。更糟糕的是，这族铜氧化物中的大多数成员都是很好的绝缘体。

为了观察Nd_2-xCe_xCuO₄中的原子细节，研究人员将紫外线照射到这些材料样品上，这种照射会使材料喷射出电子。当这些电子处于配对状态时，它们在某种程度上更难以被喷射，进而产生所谓的“对能隙”。随着温度的升高，这些电子从材料中喷射出来的阻力也会降低。

研究人员观察到，这种对能隙甚至可以在高达140K的温度下存在。这意味着电子配对发生在比25K的高得多的温度下。而最让他他们惊讶的是，这样的配对在最绝缘的材料中是最强的。

  前进的道路  

研究人员表示，尽管这类铜氧化物并不具有零电阻，但这些电子对的存在意味着，它们已经做好了超导的准备，只是有些未知的东西阻碍了它们。如果能找到一种新方法来同步这些电子对，就可以将其应用于制造在更高温度下运作的超导体。

研究人员表示，在未来的研究中，他们将进一步探索这种对能隙，进而帮助使用一些新的方法来设计超导体。一方面，他们计划使用类似的实验方法来进一步了解这种非相干配对状态。另一方面，他们希望找到方法来操纵这些材料，或许可以“强迫”这些非相干的电子配对变得同步。