一项新的原子级实验几乎解决了在铜酸盐（英語：cuprate）晶体中看到的强力形式的超导性的起源，证实了一个有35年历史的理论。
几十年来，一种晶体家族以其令人困惑的超导能力，即在比其他材料更高的温度下携带电流而没有任何阻力，而使物理学家感到迷惑。
像这里显示的铜酸盐晶体材料这样的超导体以一种允许磁铁漂浮在上面的方式排出磁场。
现在，一项酝酿多年的实验在这些晶体之一的原子尺度上直接显示了超导性，最终以几乎所有人都满意的方式揭示了该现象的原因。电子似乎在无摩擦的流动中相互推动，这种方式最早是由一个几乎和这个谜团本身一样古老的古老理论提出的。发表在最近《美国国家科学院院刊》的该研究，其研究团队由J.C.西姆斯·戴维斯（（J.C.SéamusDavis）领导，研究团队人员包括有来自牛津大学、康奈尔大学的四位中国学者。
"我在这个问题上工作了25年，我希望我已经解决了这个问题，"在牛津大学领导这一新实验的J.C.西姆斯·戴维斯说，"我绝对感到兴奋。"戴维斯领导的一项新实验几乎解决了高温超导性的起源问题，这是戴维斯研究了25年的难题。
戴维斯是一位爱尔兰凝聚态物理学家，他的研究探索了宏观量子物理学的世界。戴维斯专注于电子、磁性、原子和时空量子物质的奇异状态的基础物理学。他的一个专长是开发创新仪器，以允许直接原子级可视化或感知作为这些状态特征的量子多体现象。戴维斯经营着三套超低振动实验室，一套在英国牛津大学，另一套在科克大学，第三套在康奈尔大学。该计划的其他关键组成部分位于马克斯普朗克固体化学物理研究所。
哈佛大学的超导物理学家、苏比尔·萨奇德夫（SubirSachdev）教授评价该研究成果说："这个证据真的是非常漂亮和直接"，他建立了被称为铜酸盐的晶体的理论。
新的测量结果与基于该理论的预测相吻合，该理论将铜酸盐超导性归结为一种叫做超交换的量子现象。"加拿大谢布鲁克大学的物理学家André-MarieTremblay说："我对数量上的一致感到惊奇，他是去年作出预测的研究小组负责人。
这项研究推动了该领域的长期以来的雄心目标：利用铜酸盐超导性并加强其基本机制，以便设计出能够在更高温度下超导电的改变世界的材料。室温超导性将为日常电子产品、电力线等带来完美的效率。
"如果这类理论是正确的，"戴维斯说，他指的是超交换理论，"应该可以描述在不同位置有不同原子的合成材料"，这些材料的临界温度更高。
两种胶合
自从年首次观察到超导性以来，物理学家们一直在试图认知它。荷兰科学家HeikeKamerlinghOnnes和合作者将一根水银线冷却到大约4开尔文（即绝对零度以上），并惊讶地看着电阻骤降至零。电子灵巧地穿过电线，当它们与电线的原子碰撞时没有产生热量--这就是电阻的起源。戴维斯说，这将需要"一生的努力"才能弄清楚。
在20世纪50年代中期的关键实验见解的基础上，巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）于年发表了他们获得诺贝尔奖的关于这种传统形式的超导理论，即今天人们所熟知的"BCS理论"。
BCS理论认为，穿过一排排原子的振动将电子"粘"在一起。当一个带负电的电子在原子之间飞行时，它将带正电的原子核吸引到它身边，并掀起一个涟漪。这个涟漪又拉来了第二个电子。这两个电子克服了它们激烈的电斥力，形成了一个"库珀对"。
当电子耦合起来时，进一步的量子技巧使得超导性不可避免。通常情况下，电子不能重叠，但库珀对遵循不同的量子力学规则；它们就像光粒子，任何数量的光粒子都可以堆积到针头上。许多库珀对走到一起，合并成一个单一的量子力学状态，即"超流体"，它变得对它经过的原子视而不见。
BCS理论还解释了为什么汞和大多数其他金属元素在冷却到接近绝对零度的时候会出现超导现象，但在超过几开尔文的时候就不再如此。原子波纹是最微弱的胶合。加大热量，它就会使原子抖动并冲淡晶格振动。
然后在年，IBM的研究人员GeorgBednorz和AlexMüller偶然发现了铜酸盐中更强的电子胶：由穿插在其他元素层之间的铜和氧片组成的晶体。在他们观察到一个在30开尔文下超导的铜酸盐后，研究人员很快发现了其他在开尔文以上，然后在开尔文以上的超导。
这一突破启动了一轮广泛的努力，以了解负责这种"高温"超导性的更坚韧的胶合。也许电子聚集在一起，形成了斑驳的、波纹状的电荷浓度。或者，也许它们通过自旋相互作用，自旋是电子的一种内在属性，将其导向一个特定的方向，就像一个量子大小的磁铁。“这个证据真的很美很直接。”哈佛大学的苏比尔·萨奇德夫评价说。
已故美国诺贝尔奖得主、凝聚态物理学界的全能传奇人物菲利普-安德森，在高温超导性被发现后几个月就提出了一个理论。他认为，胶合的核心是以前描述的一种叫做超交换的量子现象--一种由电子的跳跃能力产生的力量。当电子可以在多个地点之间跳跃时，它们在任何一个时刻的位置都变得不确定，而它们的动量则变得精确。一个更清晰的动量可能是一个更低的动量，因此也是一个更低能量的状态，而这正是粒子自然寻求的。
安德森超交换模型其结果是，电子寻求它们可以跳跃的情况。例如，当一个电子的邻居指向上方时，它更喜欢指向下方，因为这种区别使得两个电子可以在同一个原子之间跳跃。通过这种方式，超交换在某些材料中建立了一种有规律的上-下-上-下的电子旋涡模式。它还促使电子保持一定的距离。正是这种有效的吸引力，安德森认为可以形成强库珀对。
实验者长期以来一直在努力测试像安德森这样的理论，因为他们可以测量的材料特性，如反射率或电阻，只提供了数万亿电子的集体行为的粗略总结，而不是成对的。戴维斯说："凝聚态物理学的传统技术都不是为了解决这样的问题而设计的。"
超级实验
戴维斯在牛津大学、康奈尔大学、科克大学学院和马克斯-普朗克量子材料化学与物理研究学院的实验室，逐渐开发出了工具，在原子水平上仔细检查铜酸盐。早期的实验是通过冷却材料直到达到超导性开始的临界温度来衡量材料的超导性强度--温度越高说明胶合越强。但是在过去的十年里，戴维斯的团队已经改进了一种方法，以催促单个原子周围的胶合。
戴维斯团队修改了一种被称为扫描隧道显微镜的既定技术，该技术将一根针拖过一个表面，测量两者之间跳跃的电子电流。通过将针的正常金属尖端换成超导尖端，并将其扫过一个铜酸盐物，他们测量了电子对的电流，而不是单个电子。这让他们绘制了围绕每个原子的库珀对的密度图--这是对超导性的直接测量。发表在《自然》杂志上这一研究成果首次展示了库珀对群的图像。
同年，中国清华大学和中科院的物理学家的一项实验为支持安德森的超交换理论提供了一个重要证据。他们表明，电子在特定的铜酸盐中的铜原子和氧原子之间越容易跳跃，铜酸盐的临界温度就越高（因此它的胶合也越强）。
戴维斯团队试图在一个单一的铜酸盐晶体中结合这两种方法，以更确凿地揭示胶合剂的性质。他说，"突然醒悟"的时刻出现在年的一次小组会议上。研究人员意识到，一种叫做铋锶钙铜氧化物（BSCCO，简称"bisko"）的铜酸盐有一个奇特的特点，使他们的梦想实验成为可能。在BSCCO中，铜和氧原子层被周围的原子片挤压成波浪形。这改变了某些原子之间的距离，这反过来又影响了跳跃所需的能量。这种变化让喜欢格子整齐的理论家们头疼不已，但这恰恰给了实验者们他们所需要的东西：在一个样品中的跳动能量范围。
他们用一个传统的带金属尖端的扫描显微镜将电子粘在一些原子上，并从其他原子上摘取电子，绘制整个铜酸盐体的跳动能量图。然后他们换上了一个铜酸盐物的尖端来测量每个原子周围的库珀对的密度。
如图所示两张并排的图片，一张显示水平的粉色和黑色条纹，另一张是蓝色和黑色的条纹。左边的粉色条纹与右边图片中的黑色条纹相一致。对自然波浪形BSCCO晶体的逐个原子扫描指出了铜酸盐中超导性的起源。在电子需要更多能量在相邻原子之间跳跃的区域（明亮的粉红色带子，间隔2.6纳米，左边），电子形成较少的超导库珀对（暗带，右边）。
这两张图排成一排。在电子难以跳跃的地方，超导性很弱。在跳动容易的地方，超导性就强。跳跃能和库珀对密度之间的关系与特伦布莱及其同事在年提出的复杂的数字预测密切相关，他们认为这种关系应该来自于安德森的理论。
超交换的超胶合
戴维斯团队在《美国国家科学院院刊》上发表的关于跳跃能与超导强度有关的发现，强烈暗示超交换是实现高温超导性的超胶合。
普林斯顿大学的物理学家、普林斯顿复杂材料中心主任，AliYazdani教授评价说："这是一项很好的工作，因为它带来了一种新的技术来进一步证明这个想法是可行的，"他与Davis小组同时开发了类似的技术来研究铜酸盐和其他异类的超导实例。
超交换并不是一个新的想法，大量的研究人员已经思考如何强化它，也许通过进一步压制铜和氧的晶格或用其他元素对进行实验。当然，勾画原子蓝图并设计出能满足研究人员需求的材料并不迅速或容易。此外，不能保证即使是定制的铜酸盐也能达到比我们已经知道的铜酸盐高很多的临界温度。超交换的强度可能有一个硬的上限，就像原子振动似乎一样。一些研究人员正在探索完全不同的、可能更强的胶合类型的候选者。
然而，戴维斯团队的最新研究结果可以激发和集中化学家和材料科学家的努力，他们的目标是将铜酸盐超导体提升到更高的高度。