研究小組發現了非常規超導體奇異行為的新線索

這項工作還可以幫助研究人員通過在原子水平上調整其化學構成來設計更強大的超導材料。由勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）與加州大學伯克利分校合作領導的團隊在《科學》雜志上報告了他們的發現。

傳統的超導材料，如鉛或錫，在接近開爾文尺度的零度，或零下523.4華氏度的溫度下成為超導。但是一些非常規的超導體，如銅酸鹽，一種含有銅和氧的陶瓷金屬，以某種方式在接近或超過100開爾文（零下280華氏度）的相對高溫下成為超導體。

幾十年來，研究人員一直在努力了解超導銅酸鹽的工作原理，部分原因是銅酸鹽很難在沒有缺陷的情況下生長。更重要的是，它們強大的超導性是很難關閉的，就像一輛賽車，即使是在空擋時也會繼續前進。因此，科學家們需要一種工具來幫助他們了解超導性是如何從原子水平的不同階段演變而來的，以及哪些配方在現實世界的應用中最具潛力。

因此，在目前的研究中，由James Analytis領導的研究小組專注于一種由鈰-鈷-銦5（CeCoIn5）制成的材料，它可以模仿超導銅酸鹽。對一些人來說，CeCoIn5可能看起來是一個不太可能的研究超導銅酸鹽的模型。畢竟，CeCoIn5既不含銅也不含氧。但是，盡管它們有區別，超導銅酸鹽和CeCoIn5有一些共同的關鍵特征。它們都是非常規的超導體，其電子密度或"空間對稱性"模式類似于四葉三葉草。這種空間對稱性就像一張地圖，突出了超導體的哪些部分是電子最密集的。

研究小組還從其他研究中了解到，CeCoIn5中的超導狀態可以用目前實驗室中可用的強大磁鐵來開啟和關閉，而調制銅酸鹽所需的必要磁場甚至遠遠超過最復雜的技術。研究小組認為，關閉CeCoIn5的超導狀態，將使他們能夠看一看超導“引擎”里面的狀態，并研究該材料的電子在正常、非超導狀態下的行為。由于銅酸鹽和CeCoIn5具有類似的電子密度模式，研究小組推斷，在所有不同的階段研究CeCoIn5可以為銅酸鹽超導能力的起源提供重要新線索。

為了開始測試該材料作為一個潛在的銅氧化物模型，研究人員在他們的材料科學部實驗室生長了十多個CeCoIn5的單晶，然后在分子鑄造廠的國家電子顯微鏡中心設施中用這些晶體制造了實驗裝置。他們通過用鎘取代幾個銦原子將一些CeCoIn5晶體調到了磁性狀態，并通過用錫取代銦將其他樣品調到了超導狀態。洛斯阿拉莫斯國家實驗室的國家高磁場實驗室的脈沖場設施中使用高達75特斯拉的磁場測量了這些材料的電子密度，這比地球的磁場強大約150萬倍。

然后團隊在伯克利實驗室的高級光源處使用光譜技術對CeCoIn5晶體的電子能量結構和作為化學成分函數的超導性進行成像。令他們驚訝的是，研究人員發現，在超導性最強的化學成分中，自由電子的數量從一個很小的數值跳到一個很大的數值，標志著該材料處于一個過渡點。研究人員將這種過渡歸因于與鈰原子相關的電子的行為。

在未來的研究中，研究人員計劃調查CeCoIn5中的轉變如何適用于其他非常規超導體，如銅酸鹽。他們還計劃研究CeCoIn5中的轉變可能如何影響材料的其他物理特性，如熱導率。