超導體為高速懸浮列車、核磁共振機器、高效電力線、量子計算和其他技術的應用提供了巨大的技術和經濟前景。然而它們的用途是有限的，造成這種局限性則源於超導需要極低溫度這一條件。由於這種苛刻和昂貴的要求，將它們跟現代技術相結合是非常具有挑戰性的。
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超導體的電阻有一個特定的臨界溫度，超過這個溫度它就會突然下降到零，而不像普通的金屬導體，其電阻會隨溫度的降低而逐漸下降，甚至下降到接近絕對零度。
尋找不需要如此低溫的超導體是目前超導研究的主要目標。這些超導體的運作機制是這個領域最大的謎團，至今沒有人能夠回答。了解在高溫下產生超導性的過程將使其得到更多的實際應用。
來自以色列巴伊蘭大學的科學家們最近進行的一項研究在解決這一持續的謎團方面取得了進展。他們通過使用掃描式SQUID（超導量子干涉裝置）磁力顯微鏡拍攝到了一種其他技術以前無法看到的現象。
當高溫超導體最初被發現時，科學家們大吃一驚。科學家們曾認為，良好的超導性將在金屬中發現。然而與預測相反的是，人們發現絕緣陶瓷材料是最好的超導體。
找到這些陶瓷材料的共同屬性可能有助於確定其超導性的來源並改善對臨界溫度的控制。據了解，這種材料的其中一個特性是，當中的電子會強烈地相互抵制。因此，它們無法自由移動。相反，它們會被困於一個周期性的晶格結構內。
電子有兩個決定性的屬性：電荷（移動的電荷會產生電流）和自旋。其中，自旋是電子的量子屬性，負責它們的磁特性。這就好比每個電子上都有一個小小的條形磁鐵。在普通材料中，電荷和自旋是電子的“內置”並無法分離。
然而在被稱為“量子自旋液體”的特殊量子材料中，電子之間的相互作用促成了一種獨特的現象，即每個電子被分解成兩個粒子，一個帶電荷（但無自旋），一個帶自旋（無電荷）。這種量子自旋液體可能存在於高溫超導體中，事實上，它們的存在可以解釋這些材料的超導性如此之好的原因。
而這當中的挑戰在於，這些自旋液體對於傳統的測量來說是看不見的。即使我們懷疑一種材料可能是自旋液體，也沒有任何實驗可以驗證它或探測其性質。這類似於暗物質，它不會跟光相互作用，因此非常難以探測。
目前的研究是由巴伊蘭大學物理系的Beena Kalisky教授和博士生Eylon Persky及其合作者進行的，這是朝着開發一種研究自旋液體的方法邁出的重要一步。研究人員通過使自旋液體跟超導體相互作用來研究它的特性。他們使用了一種由超導體和候選自旋液體的原子層交替組成的工程材料。
“跟不產生任何信號的自旋液體不同，超導體有着清晰的磁信號，很容易測量。因此，我們能夠通過測量它在超導體中產生的微小變化來研究自旋液體的特性，”Persky說道。研究人員通過使用掃描SQUID–一種能同時檢測磁性和超導性的極其敏感的磁傳感器–來研究異質結構的特性。
“我們已經觀察到在超導體中產生的渦流。這些旋渦是循環的電流，每一個都持有一個量子的磁通。雖然創造這種旋渦的唯一方法是通過施加磁場，但在我們的案例中，旋渦是自發產生的，”Kalisky解說道。這一觀察表明，材料本身產生了一個磁場。而最大的驚喜是發生在這個磁場沒有在直接測量中顯示出來的時候。Kalisky補充道：“令人驚訝的是，我們發現由該材料產生的磁場對於直接的磁性測量是不可見的。”
研究結果指出了一個“隱藏的”磁相，它在實驗中通過跟超導層的相互作用而暴露出來。通過跟來自巴伊蘭大學、以色列理工學院、魏茨曼研究所、加州大學伯克利分校和佐治亞理工學院的研究小組合作，研究人員得出結論，這種磁相可能是自旋液層和超導層之間關係的直接結果。隱藏的磁性是自旋液中自旋電荷分離的結果。超導體對這種磁性產生反應進而產生渦流，這個過程不需要一個“真正的”磁場。
事實上，這是第一次直接觀察到這兩種物質階段之間的聯繫。這些結果提供了了解難以捉摸的自旋液體的特性的途徑，如電子之間的相互作用。這些結果也為工程化的其他層狀材料打開了大門，通過這些材料可以研究超導性和其他電子相之間的關係。對自旋液體和超導性之間關係的進一步研究可能會使研究人員設計出在室溫下工作的超導體，而這反過來會改變我們的日常生活。