莱斯大学的莱斯量子材料研究中心主要开展高温超导体等特殊材料的研发工作。
phys.org网站1月17日报道，美国莱斯大学（Rice University）的物理学家与合作者在《物理评论快报》和《物理评论B辑》发文称，部分铁基超导体可以通过电子秩序调整获得超导性。研究首席、莱斯大学莱斯量子材料中心主任、物理学和天文学教授Qimiao Si说：“我们的研究展示了一种全新的设计原理。它可以调整量子材料，使其在更高的温度下获得异常超导性。我们展示了一种不同寻常的电子秩序：向列性。它对提高特定轨道上的电子配对、进而产生超导现象有重要意义。通过调整材料以增强向列性，可以在更高的温度下实现超导。”
电流对电线的加热效果源于无数电子的碰撞，电子的每次碰撞都会损失能量。据统计，美国电网每年约有6%的电能因电阻产生的热耗散而浪费掉。相比之下，超导体中的电子可以“毫不费力”地成对流动，不会产生热量损耗。研究人员一直梦想能利用超导性设计出节能网络，但电子作为费米子家族中的“特立独行者”，很难让它们能彼此共享空间。诱使电子成对通常需要非常极端的条件，例如超高压力或比超低温度。
铁硒材料中出现的异常超导性与传统意义上的超导性是不同的。虽然在过去的40年里，异常超导性已经被多次记录在案，但物理学家无法完全解释为何异常超导体的电子可以在相对较高的温度下成对，其确切机制仍然是个谜。即使理论研究遇到阻碍，但Si等物理学家已经找到了预测异常超导体部分行为的方法。Si和莱斯大学研究生Haoyu Hu等采用“轨道选择配对”的理论模型来解释铁硒材料的实验结果，并对包括铁硒材料在内的多种物质在其他情况下的行为进行了预测。在“轨道选择配对”模型中，某些原子壳层中的电子比其他原子壳层中的电子更容易成对。Si认为，对这种模型最直观的理解方法是把原子轨道想象成高速公路上的车道。他说：“我们总是希望在左车道上的车能跑得最快，但在实际情况下，由于车辆太多，其他车道的车的速度反而可能更快。异常超导体中的电子就像拥挤的高速公路上的汽车，它们必须互相避让，最终可能会被困在一条车道上。电子秩序的调整是一种引导电子进入特定轨道的方法，它可以起到类似高速公路上的导向锥形物的作用”。
铁基高温超导体于2008年首次被发现。2013年，Si和中国人民大学（Renmin University of China）的Rong Yu证实，轨道选择行为可能导致碱性铁硒化物表现出金属性与绝缘性共存的矛盾特征。2017年，Si等又证实了硒化铁有可能具有一种特殊的超导状态。Yu说：“在目前的研究中，我们发现在高于超导转变温度的条件下，向列性极大地提高了轨道的选择性。”为了分析向列电子秩序存在下的超导性质，Yu等分析了“超导能隙”。超导能隙可用于比较向列方向和垂直方向上与电子对分离相关的能量损失。他们的计算结果显示出很大的差异性。Si认为，这揭示了轨道选择配对和电子秩序之间的相互作用。超导能隙的差异可能是影响铁基超导体和其他强相关量子材料的异常超导性的重要因素。
编译：雷鑫宇
审稿：西莫
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