科学家领导的一个国际团队，直接观察到了一种含铁高温超导体中令人惊讶的量子效应。超导体在没有电阻的情况下导电，使其在长距离电力传输和许多其他节能应用中很有价值。传统超导体只能在极低的温度下工作，但 约 年前发现的某些铁基材料可以在相 较高温度下进行超导，并引起了科学家们的注意。铁基材料中超导电性究竟是如何形成的是一个谜，特别是因为铁的磁性似乎与超导电性的出现相冲突。
铁基超导体等非常规材料的更深入研究，可能最终促使下一代节能技术的新应用。科学家们探索了添加杂质（即钴原子）时铁基超导体的行为，以探索超导性是如何形成和消散的。其发现使科学家们 60年前关于超导行为的理论有了新认识，其研究成果现在发表在《物理评论快报》期刊上。普林斯顿 学尤金·希金斯物理学教授M·扎希德·哈桑(M.Zahid Hasan)领导了该研究团队：添加杂质是了解超导体行为的一种有用方法，这就像通过投掷石头来探测湖中水的波浪行为。
超导特性 杂质的反应方式揭示了它们量子级细节的秘密。一个由来已久的想法被称为安德森定理预测，虽然添加杂质可以将无序引入超导体，但在许多情况下，它不会破坏超导电性。这个定理是1959年由诺贝尔奖获得者物理学家菲利普·安德森(Philip Anderson)提出，他也是普林斯顿 学的约瑟夫·亨利(Joseph Henry)物理学教授，荣休。但总有例外：钴似乎是这些例外之一，与理论相反，钴的加入迫使铁基超导体失去超导能力，变得像普通金属一样，电以电阻流动，并以热的形式浪费能量。
到目前为止，还不清楚这是如何发生的，为了探索这种现象，普林斯顿 学研究团队使用了一种被称为扫描隧道显微镜的技术，这种技术能够 单个原子进行成像，以研究一种由锂、铁和砷制成的铁基超导体。将钴原子形式的非磁性杂质引入超导体，以观察它的行为。科学家们在极低的温度下测量了 量样品，约为零下237.78摄氏度(400毫开尔文)，比外太空低近10华氏度。在这些条件下，研究人员定位并测量了晶格中的每个钴原子。
然后直接测量了它在原子局部尺度和样品全局超导性质上 超导电性的影响。为了做到这一点，研究人员在这些极低的温度下，以原子水平的分辨率研究了超过30个不同浓度的晶体。该研究的第一作者Songtian Sonia Zhang说：不能保证任何给定的晶体都会提供所需要的高质量数据。作为这个广泛 验的结果，研究小组发现每个钴原子都有一个有限的局部影响，在距离杂质的地方消失了一个或两个原子。然而，随着钴浓度的增加，通过相变进入正常的非超导状态，有一个强 的系统演化，通过引入更多的钴原子，超导电性最终被完全破坏。
超导性是由于两个电子配 形成一个量子态，这种量子态由一种称为波函数的性质描述。这种配 使得电子可以快速穿过材料，而没有日常金属中发生的典型电阻。散射电子和打破电子 所需的最小能量称为“超导能隙”。当加入钴原子时，散射强度可以用两种方式来描述：强极限和弱极限。以物理学家Max Born命名的玻恩极限散射具有最弱干扰电子波函数的潜力，这些电子波函数 电子-电子相互作用以及电子配 至关重要，通过取代铁原子，钴原子表现为出生极限散射体。
虽然玻恩极限散射体具有相 较弱破坏超导电性的潜力，但当许多散射体结合在一起时，它们会破坏超导电性。科学家发现， 于砷化亚铁锂材料，在玻恩极限的散射显然能够违反安德森定理，导致从超导状态到非超导状态的量子相变。超导材料可以用称为隧穿光谱的特征来描述，该特征提供了 材料中电子行为的描述，并充当电子的能量分布剖面。砷化亚铁锂材料具有所谓的“S波”间隙，其特征是超导能量间隙中的平坦“U”形底部，完全打开的超导间隙表示超导材料的质量。
令人惊讶的是，钴杂质不仅抑制了超导电性，还改变了性质，因为它从U形演变为V形。超导带隙的形状通常反映了描述超导性质的“序参数”。这样的形状是有序参数的特征，这些有序参数只出现在唯一数量的高温超导体中，并且暗示着极非常规的行为。通过改变序参数（例如，通过改变超导带隙的形状而反映在测量中）的表观转变只会增加量子之谜。这种演变是不寻常的，并促使科学家深化他们的研究，通过将理论计算与磁性测量相结合，能够确认钴散射的非磁性性质。
由于安德森定理指出，非磁性杂质 这种类型的超导体几乎没有影响，研究人员意识到必须开发另一种理论。在铁基超导体中，科学家们推测，在不同的“费米口袋”（由于电子占据规则晶体结构而形成的能量计数）超导有序参数的相位有符号变化。Hasan团队的博士后研究员、该研究的合著者Ilya Belopolski表示：区分常规超导和符号改变超导需要 超导序参数进行相敏测量，这可能是极具挑战性的，研究 验的一个好的方面是，通过考虑违反安德森定理，可以绕过这一要求。
科学家们发现，通过在超导电性的序参数中引入这种符号变化，能够复制钴杂质的奇数演化。除了这些最初的计算之外，还采用了另外三种最先进的理论方法来证明非磁性钴散射体 这种符号变化超导体的影响。三个不同的理论模型都指向同一个解释的事 表明，这是一个强有力的结论，在寻求解决超导之谜的过程中，开发出了并不总是彼此一致的复杂模型。在这种情况下，与模型无关的结果明确地指出，这是一种符号变化的奇异超导体，最初并没有被安德森的研究考虑到。
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