在尋找更有用的超導體的過程中，文理學院（A&S）Dick & Dale Reis Johnson物理學助理教授Ramshaw及其同事發(fā)現，磁性是理解"高溫"超導體中電子行為的關鍵。有了這一發(fā)現，他們已經解開了圍繞這類超導體30年的謎團，這類超導體在更高的溫度下發(fā)揮作用，比絕對零度高100多度。他們的論文《杯狀超導體偽隙臨界點的費米表面轉變》于2022年3月10日發(fā)表在《自然-物理學》上。

"我們想了解是什么讓這些高溫超導體發(fā)揮作用，并將這種特性設計到其他一些更容易被技術采用的材料中，"Ramshaw說。高溫超導體的一個核心奧秘是它們的電子會發(fā)生什么。"所有的金屬都有電子，當一種金屬成為超導體時，電子會相互配對。我們測量了一種叫做'費米表面'的東西，你可以把它看作是一張顯示金屬中所有電子位置的地圖。"

為了研究電子如何在高溫超導體中配對，研究人員通過一個被稱為化學摻雜的過程不斷改變電子的數量。Ramshaw說，在高溫超導體中，在某個"臨界點"，電子似乎從費米表面圖中消失了。

研究人員將目光鎖定在這個臨界點上，以弄清是什么讓電子消失的，以及它們去了哪里。他們使用世界上最強的穩(wěn)態(tài)磁鐵，即位于佛羅里達州塔拉哈西的國家高磁場實驗室的45特斯拉混合磁鐵，來測量銅-氧化物高溫超導體的費米表面，作為電子濃度的函數，就在臨界點附近。

他們發(fā)現，當研究人員撥過臨界點時，費米表面完全改變。"這就好像你在看一張真實的地圖，突然間大部分大陸都消失了，"Ramshaw說。"這就是我們發(fā)現高溫超導體的費米表面在臨界點發(fā)生的情況--一個特定區(qū)域的大部分電子在地圖的一個特定部分突然消失了。"

Ramshaw說，對研究人員來說，重要的是不僅要注意到電子正在消失，而且要注意到哪些電子正在消失。

物理學博士生、論文第一作者Yawen Fang說，他們根據幾種理論建立了不同的模擬模型，并測試它們是否能解釋數據。"最后，我們獲得了一個模型，這是與磁性相關的模型，"Fang說。"我們正自信地從材料中被充分理解的一面，以我們的技術為基準，步入過了臨界點的神秘一面。"

現在他們知道了哪些電子會消失，研究人員有了一個想法--它與磁性有關。

Ramshaw說："一直以來都有暗示，在高溫超導體中，磁性和超導性是相關的，而我們的工作表明，這種磁性似乎就在臨界點出現，并吞噬了大部分的電子。這個臨界點也標志著在最高溫度下發(fā)生超導性的電子濃度，而更高溫度的超導體是這里的目標。"知道臨界點與磁性有關，就能深入了解為什么這些特定的超導體具有如此高的轉變溫度，甚至可能在哪里尋找具有更高轉變溫度的新超導體。

康奈爾大學Kavli研究所納米科學博士后、共同第一作者Ga?l Grissonnanche說："這是一個在我們的研究之前已經存在了30年的辯論，而我們得出了一個直接的答案。"