根据莱斯大学物理学家和合作者的两项研究，一些铁基超导体可以从调谐中受益。这项研究的首席理论物理学家、莱斯大学的齐苗思(Qimiao Si)说：我们的研究工作展示了一种新的设计原理，可以调整量子材料，使其在更高的温度下获得非常规的超导性。赖斯量子材料中心(Rice Center for Quantum Materials, RCQM)主任、物理学和天文学教授哈里·c·维斯(Harry C. and Olga K. Wiess)和奥尔加·k·维斯(Olga K. Wiess)表示：
我们展示了一种不同寻常的电子秩序（向列线性(nematicity)）是如何提高特定轨道上电子配对产生超导的可能性，通过调整材料来增强这种效果，可以在更高的温度下培养超导性，电流加热电线，这是由于无数电子的碰撞，每次碰撞都会损失能量。
博科园-科学科普：美国电网每年约有6%的电力因这种加热或电阻而损耗。相比之下，超导体中的电子成对流动毫不费力，没有阻力或热量。工程师们长期以来一直梦想利用超导性来进行节能计算、电网等，但电子是出了名的独来独去者，它是费米子量子家族中研究最多的成员。费米子是如此反对彼此共享空间，以至于人们知道它们会暂时消失。由于它们奇特的量子性质，诱使电子形成对通常需要极端的条件，比如高压或比深空更冷的温度。非常规超导体（发生在铁硒这样材料中的那种）是不同的；由于物理学家无法完全解释的原因，非传统超导体中的电子在相对较高温度下形成，在过去的40年里，这种行为已经被记录在许多资料中。虽然确切的机制仍然是个谜，但像Si这样的物理学家已经学会预测非常规超导体在某些情况下的行为。
图片： Rice University
在新的研究中，Si, Rice研究生Haoyu胡和合作者们使用了“轨道选择配对”理论模型来解释先前硒化铁的实验结果，并预测它和其他物质在其他情况下的行为。研究小组成员包括莱斯大学研究生郝宇胡、中国人民大学容宇、亚利桑那州立大学Emilian Nica和洛斯阿拉莫斯国家实验室朱建新。在模型中，某些原子壳层中的电子比其他原子壳层中的电子更容易形成对，一种直观的方法是把原子轨道想象成高速公路上的车道。汽车在不同车道上以不同的速度行驶，研究人员希望那些在左车道上的人跑得最快，但情况并非总是如此。当许多汽车行驶在高速公路上时，其他车道的速度可能会更快。非传统超导体中的电子就像拥挤的高速公路上的汽车。它们必须互相避开，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，就像高速公路上的锥形物和障碍物引导汽车进入特定车道一样。铁基高温超导体是在2008年被发现，Si和合作者提出了最早的理论之一来解释它们：将它们冷却到一个量子临界点附近会产生明显的相关电子效应，这种效应产生的行为只能通过将电子看作一个集体系统而不是许多单独的物体来理解。这两篇发表在《物理评论快报》(PRL)和《物理评论B》(PRB)上的新论文，是基于Si和Yu以及Nica在莱斯大学博士后和研究生期间进行的研究。2013年Si和Yu的研究表明，轨道选择行为可能导致碱性铁硒化物同时表现出金属与绝缘体的矛盾特征。在2017年，Si, Nica和他的同事们证明了硒化铁有可能具有一种超导状态，在这种状态下，与亚电子层中一个轨道相关的电子对与同一亚电子层中一个密切相关的轨道电子对是非常不同的。
PRL论文的第一作者Yu说：在目前的研究中，我们发现在高于超导跃迁温度的正常状态下，向列相序极大地提高了轨道的选择性。在向列系中，一个方向的阶数比另一个方向的阶数高。例如在一盒生意大利面中，面条是纵向排列的，但如果从垂直方向看，面条是无序的。为了分析向列相电子序存在下的超导性质，Yu、Si和同事们分析了“超导间隙”，这是一种比较向列相方向和垂直方向上电子对断裂相关能量成本的方法，计算显示出很大的差别。PRB论文的第一作者表示：研究结果为最近报道非常惊人的结果提供了一个自然理解，这些结果是基于扫描隧道显微镜对硒化铁超导间隙的艰苦测量得出。这项研究揭示了轨道选择配对和电子指令之间的相互作用，这似乎是铁基超导体和其他强相关量子材料中非常规超导性的重要组成部分。
博科园-科学科普｜研究/来自: 莱斯大学
Jade Boyd, Rice University
参考期刊文献:《物理评论快报》,《物理评论B》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.227003
DOI: 10.1103/PhysRevB.98.220503
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