艺术地描绘了由系统的磁性背景引起的一对孔。来源：MPQ

使用量子模拟器，马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的研究人员观察到了成对的电荷载流子，这些载流子可能负责高温超导体中电流的无电阻传输。到目前为止，这些复杂材料中的确切物理机制在很大程度上仍然未知。

理论假设对形成的原因以及超导现象的原因在于磁力。加兴的团队现在首次能够展示以这种方式形成的配对。他们的实验基于冷原子的晶格状排列，以及对自由电荷载流子运动的棘手抑制。研究人员在《自然》杂志上报告了他们的结果。

自从大约40年前发现高温超导体以来，科学家们一直在试图追踪它们的基本量子物理机制。但复杂的材料仍然构成谜团。加兴MPQ量子多体系统部门的一个团队的新发现现在为可能成为这些所谓的非常规超导体背后的过程提供了新的微观见解。

对于任何类型的超导性来说，关键是形成紧密连接的电荷载流子对 - 电子或空穴，因为电子空位被称为。“其原因在于量子力学，”MPQ物理学家Sarah Hirthe解释说。每个电子或空穴都带有一个半整数自旋——一个量子物理量，可以想象为粒子内部旋转的量度。原子也有自旋。然而，由于量子统计原因，只有具有整数自旋的粒子才能在某些条件下无阻力地穿过晶格。“因此，电子或空穴必须配对才能做到这一点，”Hirthe说。

在传统的超导体中，称为声子的晶格振动有助于配对。另一方面，在非常规超导体中，一种不同的机制正在起作用，但直到现在，它是什么的问题仍未得到解答。“在一个被广泛接受的理论中，间接磁力起着至关重要的作用，”Sarah Hirthe报道。“但到目前为止，这在实验中无法得到证实。

磁序系统中的结合机制。红色和蓝色球体是相反方向的自旋，连接球体的阴影带显示磁性顺序。白色球体是孔。当空穴如（i）和（ii）所示移动时，它会扰乱磁序。但是，如果第二个孔连接到第一个孔，如（iii）所示，则尽管移动，磁性顺序仍保持不变。因此，这些孔配对以维持系统中的磁性顺序。来源：MPQ

带孔的固态模型

为了更好地了解这些材料中的过程，研究人员使用了量子模拟器：一种重建物理系统的量子计算机。为此，他们用激光在真空中排列超冷原子，以简化的固态模型中模拟电子。在这个过程中，原子的自旋以交替的方向排列：产生了反铁磁结构，这是许多高温超导体的特征，并通过磁相互作用稳定下来。然后，该团队通过减少系统中的原子数量来掺杂该模型。这样，孔就出现在格子状结构中。

MPQ的团队现在可以证明磁力确实会导致成对。为了实现这一目标，他们使用了一个实验技巧。“在高温超导体等材料中移动电荷载流子受到不同力的竞争，”Hirthe解释说。

一方面，他们有分散开来的冲动，即同时无处不在。这给了他们一个充满活力的优势。另一方面，磁相互作用确保了原子，电子和空穴的自旋状态的有序排列 - 并且可能也确保了电荷载流子对的形成。然而，“到目前为止，力量的竞争使我们无法在显微镜下观察这些货币对，”研究小组负责人Timon Hilker说。“这就是为什么我们有防止电荷载流子在一个空间方向上的破坏性运动的想法。

该图显示了实验测量的孔分布，距离 d=0 时具有明显的最大值，对应于两个相邻的孔，并显示孔对。在插图中，我们的量子气体显微镜的示例性实验图像，距离d=0的相邻孔。每个绿点都是单个原子的信号。来源：MPQ

通过量子气体显微镜近距离观察

这样，磁力在很大程度上不受干扰。结果：彼此靠近的孔形成了预期的对。为了观察这种配对，该团队使用了量子气体显微镜 - 一种可以详细跟踪量子力学过程的设备。不仅揭示了空穴对，而且还观察到了孔对的相对排列，表明它们之间存在排斥力。该团队在科学期刊《自然》上报道了他们的工作。

“结果强调了非常规超导体电阻损失是由磁力引起的，”MPQ主任兼量子多体系统部门负责人Immanuel Bloch教授说。“这导致对这些非凡材料的更好理解，并展示了即使在非常高的温度下如何形成稳定空穴对的新方法，这可能会显着提高超导体的临界温度。

马克斯普朗克量子光学研究所的研究人员现在计划在更复杂的模型上进行新的实验，其中连接了大型二维原子阵列。这种更大的系统有望产生更多的空穴对，并允许观察它们通过晶格的运动：由于超导性而没有电阻的电流传输。

更多信息：Sarah Hirthe等人，超冷原子费米子阶梯中的磁介导空穴配对，《自然》（2023）。DOI： 10.1038/s41586-022-05437-y

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