2026年10月20日——新研究有助于揭示为何高温超导之梦如此难以实现：超导性与一种竞争性物态之间发生着量子搏斗。这一发现来自一项合作，参与方包括纽约市西蒙斯基金会旗下Flatiron Institute的理论研究人员，以及魁北克Institut national de la recherche scientifique（INRS）的实验研究人员。

研究人员研究了一种被称为“铜氧化物”的铜合金，观察它从超导态转变到邻近一种被称为“赝能隙”的神秘物态时的表现。借助激光脉冲和计算机模拟，他们得以理解这种铜氧化物内部电子的行为。

在10月20日发表于《自然·物理学》的一篇论文中，该团队展示了这两种态——超导态和赝能隙——如何争夺主导地位。这一发现挑战了如下观点：铜氧化物中的超导性只是建立在先前存在的赝能隙相之上。

“我们确实在表明，这些态在相互竞争，”研究合著者、Flatiron Institute计算量子物理中心（CCQ）的副研究科学家Olivier Gingras说。他说，如果科学家能找到一种方法，抑制赝能隙的形成但保留超导性，“就有机会提高超导温度。”

突破极限

在超导态中，通常相互排斥的电子会结合在一起，为电流创造一条平滑、连续的高速通道。这意味着电流可以在没有能量损耗的情况下传输，就像雪橇在无摩擦的冰面上滑行。这对于将电力从一个地方输送到另一个地方极为有用。这也意味着超导体可以产生强磁场，而强磁场本身也有应用，例如MRI设备。

“超导常被视为一场潜在的技术革命，”Gingras说，他是这篇新论文的通讯作者之一。

但超导温度范围是一大障碍。超导性只在低于临界温度时才会出现。即使是临界温度最高的铜氧化物，也需要保持在151开尔文以下，约合零下188华氏度。

高于该临界温度时，某些类型的铜氧化物会进入赝能隙态。在这种状态下，电流可以在某些方向上自由移动，但在其他方向上则不能。理解赝能隙如何形成，可能有助于揭示阻止其形成的方法，从而为更高温度的超导性创造可能。

“有大量研究致力于将这一临界温度推向更高，”Gingras说，“临界温度越高，它就越有用。”

作为这项努力的一部分，Gingras及其合著者希望更好地理解铜氧化物在临界温度附近发生的相变。“你会看到许多非常有趣的奇异相，”Gingras说，“它们之间的关系并不十分清楚。”

该团队重点关注从超导态到赝能隙的转变。对于铜氧化物如何完成这一转变，研究人员有几种理论。

一种理论认为，超导性和赝能隙不能同时存在。按照这种“竞争态”理论，研究人员可以尝试阻止赝能隙的形成。如果成功，铜氧化物就会默认保持为超导体。

但也有可能这两种态是共生的——在赝能隙态中，电子正在成键，但强度不足以形成超导体。“它会在某种程度上是超导态的前奏，”Gingras说。在这种情况下，研究人员可能会寻找方法，从赝能隙中诱导出相干性，进而诱导出超导体。

“超导性确实是我们希望用于应用的东西，”Gingras说，“赝能隙是一个提示，表明正在发生某些我们可以利用的事情。”

探测这些态

为弄清这一点，INRS的先进激光光源（Advanced Laser Light Source）的合作者使用了一种名为角分辨光电子能谱（ARPES）的实验技术。ARPES通过用光照射铜氧化物，使其发射电子。实验人员随后可以测量电子的能量和动量。这些测量揭示了哪些物态正在发挥作用。

随后，研究人员用光将一种铜氧化物超导体激发到赝能隙态，以此探测相之间的转变。然后，他们观察了该材料在两种相之间转变的过程。他们还分别在平衡态下对材料进行了单独测量，包括超导态和赝能隙态。

“我们能够熔化超导相，并观察物质如何重新组合成超导相，”Gingras说，“正是在那里，我们才能真正看到动力学过程。”

在INRS的Fabio Boschini领导下工作的博士生Dario Armanno主导了实验数据的获取工作。拿到数据后，Gingras和其他CCQ研究人员接手，试图找出哪种理论最能解释实验人员的观察结果。唯一符合的模型是“竞争态”理论。在平衡态下，只能存在一种态。

Gingras说，将这一点付诸实践仍然遥遥无期。“这项工作引入了一个框架，可以在不必依赖非常昂贵的数值计算的情况下研究这些动力学，但仍然存在高精度第一性原理计算的问题，”他说。在非平衡态下，这些计算极其困难。“这是非常缓慢且痛苦的工作。”