研究小组发现了非常规超导体奇异行为的新线索

这项工作还可以帮助研究人员通过在原子水平上调整其化学构成来设计更强大的超导材料。由劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）与加州大学伯克利分校合作领导的团队在《科学》杂志上报告了他们的发现。

传统的超导材料，如铅或锡，在接近开尔文尺度的零度，或零下523.4华氏度的温度下成为超导。但是一些非常规的超导体，如铜酸盐，一种含有铜和氧的陶瓷金属，以某种方式在接近或超过100开尔文（零下280华氏度）的相对高温下成为超导体。

几十年来，研究人员一直在努力了解超导铜酸盐的工作原理，部分原因是铜酸盐很难在没有缺陷的情况下生长。更重要的是，它们强大的超导性是很难关闭的，就像一辆赛车，即使是在空挡时也会继续前进。因此，科学家们需要一种工具来帮助他们了解超导性是如何从原子水平的不同阶段演变而来的，以及哪些配方在现实世界的应用中最具潜力。

因此，在目前的研究中，由James Analytis领导的研究小组专注于一种由铈-钴-铟5（CeCoIn5）制成的材料，它可以模仿超导铜酸盐。对一些人来说，CeCoIn5可能看起来是一个不太可能的研究超导铜酸盐的模型。毕竟，CeCoIn5既不含铜也不含氧。但是，尽管它们有区别，超导铜酸盐和CeCoIn5有一些共同的关键特征。它们都是非常规的超导体，其电子密度或"空间对称性"模式类似于四叶三叶草。这种空间对称性就像一张地图，突出了超导体的哪些部分是电子最密集的。

研究小组还从其他研究中了解到，CeCoIn5中的超导状态可以用目前实验室中可用的强大磁铁来开启和关闭，而调制铜酸盐所需的必要磁场甚至远远超过最复杂的技术。研究小组认为，关闭CeCoIn5的超导状态，将使他们能够看一看超导“引擎”里面的状态，并研究该材料的电子在正常、非超导状态下的行为。由于铜酸盐和CeCoIn5具有类似的电子密度模式，研究小组推断，在所有不同的阶段研究CeCoIn5可以为铜酸盐超导能力的起源提供重要新线索。

为了开始测试该材料作为一个潜在的铜氧化物模型，研究人员在他们的材料科学部实验室生长了十多个CeCoIn5的单晶，然后在分子铸造厂的国家电子显微镜中心设施中用这些晶体制造了实验装置。他们通过用镉取代几个铟原子将一些CeCoIn5晶体调到了磁性状态，并通过用锡取代铟将其他样品调到了超导状态。洛斯阿拉莫斯国家实验室的国家高磁场实验室的脉冲场设施中使用高达75特斯拉的磁场测量了这些材料的电子密度，这比地球的磁场强大约150万倍。

然后团队在伯克利实验室的高级光源处使用光谱技术对CeCoIn5晶体的电子能量结构和作为化学成分函数的超导性进行成像。令他们惊讶的是，研究人员发现，在超导性最强的化学成分中，自由电子的数量从一个很小的数值跳到一个很大的数值，标志着该材料处于一个过渡点。研究人员将这种过渡归因于与铈原子相关的电子的行为。

在未来的研究中，研究人员计划调查CeCoIn5中的转变如何适用于其他非常规超导体，如铜酸盐。他们还计划研究CeCoIn5中的转变可能如何影响材料的其他物理特性，如热导率。