高溫超導(dǎo)是物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一，LION的物理學(xué)家米蘭·艾倫的研究小組首次使用約瑟夫森掃描隧道顯微鏡對超導(dǎo)粒子的空間變化進(jìn)行了成像，高溫超導(dǎo)體的一個神秘之處在于它可能是不均勻的，這意味著庫珀對的密度會導(dǎo)致超導(dǎo)性隨空間的變化，通過首次成像證明，確實存在非常不均勻的超導(dǎo)體。

這一發(fā)現(xiàn)由杜?！で?、科恩·巴斯蒂斯安、達(dá)米亞諾斯·查佐普洛斯和艾倫在《自然》上發(fā)表，將有助于解釋這種神秘的高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。

1911年發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的超導(dǎo)性，即一種材料在沒有任何可測量電阻的情況下傳導(dǎo)電流，萊頓大學(xué)的物理學(xué)家?？恕た妨帧ぐ耗崴棺⒁獾剑诮^對零度以上4.2度時，汞的電阻消失了。這很奇怪，也出乎意料，因為正常情況下，流過金屬的電子會撞到原子或晶體結(jié)構(gòu)中的不規(guī)則物，而產(chǎn)生所謂的電阻。直到1957年，物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗才解釋了這一現(xiàn)象，他們展示了電子在晶體中流動時，如何通過晶格中的振動在一定距離內(nèi)感知彼此，從而使它們耦合并形成所謂的庫珀對。

高溫超導(dǎo)體

除了電子，庫珀對可以合并形成一個大的集體，通過晶體移動。這個集體比單個原子或缺陷要大得多，不會感覺到它們。這有點(diǎn)像一個巨大的波浪，不受阻礙地流過一片帆船的水域，在那里，小波浪會被單獨(dú)的船只阻擋。出乎意料的是，1986年瑞士物理學(xué)家貝德諾茲和穆勒發(fā)現(xiàn)了一種超導(dǎo)材料，其溫度異?！皽嘏?，高達(dá)絕對零度以上90度，溫度足以說明高溫超導(dǎo)性。如果臨界溫度可以提高到室溫。

這一技術(shù)有望在技術(shù)上得到大量應(yīng)用，從實際無損的電力線到懸浮列車。但是這個沒有實現(xiàn)，一些應(yīng)用程序正在緩慢地推向市場，但臨界溫度卻停滯不前，也許是因為直到今天，理論物理學(xué)家還沒有完全理解非傳統(tǒng)超導(dǎo)性，盡管他們進(jìn)行了幾十年的實驗和理論研究。已知的是，與傳統(tǒng)超導(dǎo)體相比，這些超導(dǎo)體中的庫珀對要小得多，也更稀疏。

約瑟夫森掃描隧道顯微鏡

多年來，人們一直在談?wù)撨@種不均勻性，為了最終將其可視化，艾倫團(tuán)隊使用了一種特殊的掃描隧道顯微鏡(STM)，通過在表面移動一個微小的針尖來成像樣本。當(dāng)針掃描表面時，測量局部性質(zhì)，得到原子分辨率的圖像。這種特殊類型的掃描隧道顯微鏡被稱為約瑟夫森掃描隧道顯微鏡，其尖端覆蓋著超導(dǎo)鉛。

約瑟夫森掃描隧道顯微鏡使用約瑟夫森效應(yīng)：兩個超導(dǎo)電流可以通過一個小的非導(dǎo)電間隙，在這種情況下，尖端和樣品之間的間隙。通過仔細(xì)測量約瑟夫森電流，可以測量庫柏對的密度。使用其他顯微鏡，可以同時繪制庫珀對的相干性，這是對其穩(wěn)定性的一種衡量。

塊狀庫珀對

每張掃描約3天的圖像顯示，相干性和密度非常不均勻。為了排除這種現(xiàn)象是由晶體本身不均勻性造成的可能性，物理學(xué)家們也對原子進(jìn)行了成像，但結(jié)果卻完全不同。這表明不均勻性不僅僅是晶格的結(jié)果，而是庫珀對自身的特性。約瑟夫森掃描隧道顯微鏡已經(jīng)被建立和使用之前，但不是在分辨率和可靠性產(chǎn)生這些圖像，這是許多技術(shù)進(jìn)步的總和，才能讓我們能夠做到這一點(diǎn)。

還要選擇正確的樣本。精心選擇的硒化碲化鐵(FeTeSe)是一種高溫超導(dǎo)體，但相對簡單這些發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)一步幫助物理學(xué)家Jan Zaanen和Koenraad Schalm這樣的理論家解開這個謎團(tuán)。艾倫希望用顯微鏡很快地研究其他材料，這就像一個新的鏡頭，一種新的顯微鏡。最后，可以研究超導(dǎo)性的一個關(guān)鍵性質(zhì)，這在以前是看不到的。

博科園｜研究/來自：萊頓大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1408-8

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