这使得高温超导体中奇怪的金属状态更加奇怪

在这里，材料YBCO的氧化铜面呈现在奇怪的金属相中，电子之间的强相互作用，“量子纠缠”，被描述为闪电。资料来源:查尔默斯理工大学| Yen Strandqvist

来自瑞典查尔默斯理工大学的研究人员发现了高温超导体的“奇怪金属”状态的一种惊人的新行为。这一发现代表了理解这些材料的一个重要谜题，该发现已发表在《科学》杂志上。

超导是指电流在传输过程中没有任何损耗，它为绿色技术提供了巨大的潜力。例如，如果它能在足够高的温度下工作，它就能实现可再生能源长距离无损运输。研究这一现象是高温超导研究领域的目标。目前的最高温度是零下130摄氏度，虽然看起来不是很高，但与只在零下230摄氏度下工作的标准超导体相比，确实很高。虽然标准超导性已经得到了很好的理解，但高温超导性的几个方面仍然是一个有待解决的难题。新发表的研究集中在最不为人所知的性质——所谓的“奇怪金属”状态，出现在比超导温度更高的温度下。

“这种‘奇怪的金属’状态的名字恰如其分。这些材料确实以一种非常不同寻常的方式表现，这在研究人员中是一个谜。我们现在的工作为这一现象提供了新的理解。通过新颖的实验，我们了解了关于这种奇怪的金属状态是如何工作的关键新信息。”

被认为是基于量子纠缠的

这种奇怪的金属状态之所以得名，是因为它在导电时的行为表面上太简单了。在普通金属中，有许多不同的过程会影响电阻——电子可以与原子晶格、杂质或自身发生碰撞，而且每种过程对温度的依赖性不同。这意味着产生的总电阻成为温度的复杂函数。与之形成鲜明对比的是，奇怪金属的电阻是温度的线性函数，即从可达到的最低温度到材料熔化的地方是一条直线。

“如此简单的行为需要一个基于强大原理的简单解释，对于这种类型的量子材料，原理被认为是量子纠缠，”Ulf Gran教授说，他是查尔默斯物理系的亚原子、高能和等离子体物理系的教授。

“量子纠缠就是爱因斯坦所说的‘幽灵般的远距离作用’，它代表了一种电子相互作用的方式，这在经典物理学中是没有对应的。为了解释这种奇怪的金属状态的违反直觉的性质，所有的粒子都需要相互纠缠，形成一团电子，其中单个粒子无法被识别，构成了一种全新的物质形式。”

当电荷密度波出现时，YBCO材料的氧化铜面出现。在这里，系统的对称性被这些局部调制的导电电子的出现所降低，这导致了奇怪的金属相的抑制。资料来源:查尔默斯理工大学| Yen Strandqvist

探索与电荷密度波的联系

这篇论文的关键发现是作者发现了是什么杀死了这种奇怪的金属状态。在高温超导体中，电荷密度波(CDW)是由材料晶格中的电子模式产生的电荷涟漪，当奇怪的金属相破裂时就会发生。为了探索这种联系，我们将纳米尺度的超导金属氧化钇钡铜样品置于应变下抑制电荷密度波。这导致了奇怪的金属状态的再次出现。通过拉伸金属，研究人员能够将这种奇怪的金属状态扩展到之前由cdw主导的区域，使这种“奇怪的金属”更加奇怪。

“超导转变的最高温度已经被观察到，当奇怪的金属相更加明显。Floriana Lombardi解释说:“因此，理解物质的这一新阶段对于能够构建在更高温度下表现出超导性的新材料至关重要。”

研究人员的工作表明，电荷密度波的出现和奇怪金属状态的打破之间有着密切的联系——这可能是理解后一种现象的重要线索，而且可能代表宏观尺度上量子力学原理的最显著证据之一。这一结果也暗示了一个很有前途的新研究途径，即利用应变控制来操纵量子材料。

《通过抑制未掺杂YBa2Cu3O7 -δ的电荷密度波恢复奇怪的金属相》这篇文章发表在《科学》杂志上。