35年前，當研究人員發現一類新穎而令人興奮的新超導材料時，他們欣喜若狂。這些銅氧化物或銅酸鹽，像其他超導體一樣，在冷卻到特定溫度以下時，可以無阻力或無損耗地導電–但其溫度大大高於科學家的預期。這增加了讓它們在接近室溫的溫度下工作的可能性，以實現完美高效的電力線和其他用途。
研究很快證實，它們展示了向超導狀態轉變的另外兩個典型特徵。 該材料在發生超導時排出了磁場，允許放置在該材料大塊上的磁鐵在其表面上方盤旋。而在過渡期間，其熱容量–將其溫度提高一定量所需的熱量–顯示出明顯的異常。
但是，儘管經過幾十年的努力，使用了各種實驗工具，第四個特徵（只能在微觀尺度上看到）仍然難以捉摸：當材料從正常狀態轉變到超導狀態時，電子配對並凝聚成一種“電子湯”的方式。
現在，美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學的一個研究小組終於通過角度分辨光發射光譜（ARPES）的精確、高分辨率測量揭示了這第四個特徵，ARPES利用光從材料中發射電子。測量這些射出的電子的能量和動量揭示了材料內部電子的行為方式。
在最近發表在《自然》雜誌上的一篇論文中，該團隊證實，他們研究的被稱為Bi2212的銅酸鹽材料在兩個不同的步驟和非常不同的溫度下轉變為超導狀態。
Sudi Chen說：“現在我們非常詳細地知道了在超導轉變過程中發生了什麼，我們可以考慮如何在更高的溫度下使之發生，”他在斯坦福大學讀博士時領導了這項研究。“那是一個非常實用的方向。”
監督這項研究的斯坦福大學材料與能源科學研究所（SIMES）的調查員沈志勛教授說：“這是15年來試圖了解這些材料的電子結構的科學探測工作的高潮，它為非常規超導性的整體圖景提供了缺失的環節。我們知道這些材料在配對電子凝聚成量子凝結物時應該產生獨特的光譜特徵；令人驚奇的是，我們花了這麼長時間才找到它。”
非常規的過渡
在1911年發現的傳統超導體中，電子克服了它們之間的相互排斥，形成了所謂的庫珀對，它們立即凝聚成一種電子湯，使電流可以不受阻礙地運行。
但是在非常規的銅酸鹽中，科學家們推測電子在某一溫度下配對，但直到它們被冷卻到一個明顯較低的溫度時才會凝結；只有在那個時候材料才會變得超導。
雖然這種轉變的細節已經用其他方法進行了探索，但直到現在它還沒有被像光發射光譜這樣的微觀探針所證實，光發射光譜研究物質如何吸收光和發射電子。這是對材料中的電子如何表現的一個重要的獨立測量。
沈志勛在斯坦福大學開始了他的科學生涯，當時新的杯狀超導體的發現剛剛出現，他已經為揭開它們的秘密和改進光發射光譜作為一種工具投入了三十多年。
在這項研究中，由日本的合作者製作的杯狀物樣品在兩個ARPES裝置中進行了檢查–一個在沈志勛的斯坦福實驗室，配備了一個紫外線激光器，另一個在SLAC的斯坦福同步輻射光源（SSRL），在SLAC工作人員科學家和長期合作者Makoto Hashimoto和Donghui Lu的幫助下。
Hashimoto說：“最近這些儀器整體性能的提高是獲得這些高質量結果的一個重要因素。它們使我們能夠以更高的精度、穩定性和一致性來測量射出的電子的能量。”
Lu補充說：“全面了解高溫超導的物理學是非常具有挑戰性的。實驗者使用不同的工具來探究這個困難問題的不同方面，這提供了更深入的見解。”
沈志勛說，對這些非常規材料的長期研究就像從洋蔥上剝開一層層的皮，以揭示其中令人驚訝和有趣的物理學。他說，現在，確認向超導的過渡發生在兩個獨立的步驟中，“給了我們兩個旋鈕，我們可以調整，讓材料在更高的溫度下超導。”
Sudi Chen現在是加州大學伯克利分校的一名博士后研究員。來自日本國家先進工業科技研究所、荷蘭萊頓大學洛倫茨理論物理研究所和美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員也對這項工作做出了貢獻，這項工作由美國能源部科學辦公室資助。SSRL是美國能源部科學辦公室的一個用戶設施。