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超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體是目前超導(dǎo)研究的主要目標。這些超導(dǎo)體的運作機制是這個領(lǐng)域最大的謎團，至今沒有人能夠回答。了解在高溫下產(chǎn)生超導(dǎo)性的過程將使其得到更多的實際應(yīng)用。

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來自以色列巴伊蘭大學(xué)的科學(xué)家們最近進行的一項研究在解決這一持續(xù)的謎團方面取得了進展。他們通過使用掃描式SQUID（超導(dǎo)量子干涉裝置）磁力顯微鏡拍攝到了一種其他技術(shù)以前無法看到的現(xiàn)象。

當(dāng)高溫超導(dǎo)體最初被發(fā)現(xiàn)時，科學(xué)家們大吃一驚。科學(xué)家們曾認為，良好的超導(dǎo)性將在金屬中發(fā)現(xiàn)。然而與預(yù)測相反的是，人們發(fā)現(xiàn)絕緣陶瓷材料是最好的超導(dǎo)體。

找到這些陶瓷材料的共同屬性可能有助于確定其超導(dǎo)性的來源并改善對臨界溫度的控制。據(jù)了解，這種材料的其中一個特性是，當(dāng)中的電子會強烈地相互抵制。因此，它們無法自由移動。相反，它們會被困于一個周期性的晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)。

電子有兩個決定性的屬性：電荷（移動的電荷會產(chǎn)生電流）和自旋。其中，自旋是電子的量子屬性，負責(zé)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(nèi)置”并無法分離。

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(xiàn)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于高溫超導(dǎo)體中，事實上，它們的存在可以解釋這些材料的超導(dǎo)性如此之好的原因。

而這當(dāng)中的挑戰(zhàn)在于，這些自旋液體對于傳統(tǒng)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(zhì)。這類似于暗物質(zhì)，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(xué)物理系的Beena Kalisky教授和博士生Eylon Persky及其合作者進行的，這是朝著開發(fā)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(dǎo)體相互作用來研究它的特性。他們使用了一種由超導(dǎo)體和候選自旋液體的原子層交替組成的工程材料。

“跟不產(chǎn)生任何信號的自旋液體不同，超導(dǎo)體有著清晰的磁信號，很容易測量。因此，我們能夠通過測量它在超導(dǎo)體中產(chǎn)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(dǎo)性的極其敏感的磁傳感器--來研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性。

“我們已經(jīng)觀察到在超導(dǎo)體中產(chǎn)生的渦流。這些旋渦是循環(huán)的電流，每一個都持有一個量子的磁通。雖然創(chuàng)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(fā)產(chǎn)生的，”Kalisky解說道。這一觀察表明，材料本身產(chǎn)生了一個磁場。而最大的驚喜是發(fā)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(fā)現(xiàn)由該材料產(chǎn)生的磁場對于直接的磁性測量是不可見的。”

研究結(jié)果指出了一個“隱藏的”磁相，它在實驗中通過跟超導(dǎo)層的相互作用而暴露出來。通過跟來自巴伊蘭大學(xué)、以色列理工學(xué)院、魏茨曼研究所、加州大學(xué)伯克利分校和佐治亞理工學(xué)院的研究小組合作，研究人員得出結(jié)論，這種磁相可能是自旋液層和超導(dǎo)層之間關(guān)系的直接結(jié)果。隱藏的磁性是自旋液中自旋電荷分離的結(jié)果。超導(dǎo)體對這種磁性產(chǎn)生反應(yīng)進而產(chǎn)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(zhì)階段之間的聯(lián)系。這些結(jié)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(jié)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(dǎo)性和其他電子相之間的關(guān)系。對自旋液體和超導(dǎo)性之間關(guān)系的進一步研究可能會使研究人員設(shè)計出在室溫下工作的超導(dǎo)體，而這反過來會改變我們的日常生活。