新的超导机制

在一些特定的条件下（通常是在超低温条件下），一些材料会改变它们的结构，解锁新的超导行为。这种结构上的变化被称为向列转变。近年来，物理学家将这种向列转变视为驱动材料进入超导态的一种新方法。

究竟是什么推动了这种转变？

在一篇新发表于《自然·材料》杂志上的研究中，一组物理学家确定了一类超导体经历向列转变的关键所在。而令人意外的是，他们的发现与此前许多科学家所以为的大不相同。

向列开关

这一新的发现是在研究硒化亚铁（FeSe）中的向列时做出的。

FeSe是一种二维材料，是临界温度最高的铁基超导体。这种材料切换为超导态的临界温度可高达70开尔文，虽然与室温相比，这一温度仍然很低，但这已经高于大多数超导材料的临界温度。

一种材料转变成超导态的临界温度越高，它在现实世界中的应用前景就越广。比如它可以为更精确、更轻便的核磁共振成像仪或高速磁悬浮列车制造出强大的电磁铁。

要想实现这些种种的可能性，科学家首先需要了解，是什么启动了像FeSe这类高温超导体中的“向列开关”。

当材料进入超导态后，其中的电子可以完全无摩擦地流动。电子之间的强相互作用可以使材料在一个特定的方向上作为一个整体被无限小地拉伸，电子可以在那个方向上自由流动。问题是，究竟是什么样的相互作用导致了这种拉伸。

在过去的一些研究中，科学家发现，一些铁基材料的拉伸似乎是由原子自发地使其磁自旋指向同一方向驱动的。因此，科学家推测，在大多数铁基超材料中，当单个原子的磁自旋突然协同地、有偏向性地转向一个磁方向时，就会触发这种向列开关。

然而，FeSe似乎并不这样。

是轨道能量，而非自旋

一直以来，理解FeSe中向列的起源，是物理学家一直试图解决的一个关键谜题。FeSe是所有这些材料中最模糊不清的，它没有磁有序。因此，这需要非常仔细地观察电子是如何在铁原子周围排列的，以及当这些原子分开时会发生什么。

在新研究中，研究人员将超薄的、毫米长的FeSe粘在薄薄的钛条上。他们通过物理性拉伸钛条，来模拟发生在向列转变的结构拉伸，进而拉伸钛条上的FeSe。

每当样品被拉伸一定长度时（不超过一微米）时，他们就会试图寻找任何以协同方式转变的特性。利用X射线，研究人员追踪了FeSe样品中的原子是如何运动的，以及每个原子的电子的行为，最终观察到了令人意外的现象。

他们发现，当拉伸超过某一特定的点之后，并非是FeSe中的原子自旋经历了这种协同的方向转变，而是它们的原子轨道能量经历了一种明确的、协同的集体性转变。

原子轨道本质上是一个原子的电子所能占据的能级。在FeSe中，电子可以占据一个铁原子周围的两个轨道态中的一个。通常，选择占据哪个轨道态是随机的。

但在新的实验中，研究人员发现当他们拉伸FeSe时，电子开始会明显倾向于其中一种轨道态。这标志着一个清晰的、协同的转变，以及向列和超导的新机制。

新的途径

超导体大致可分为两类，一类是可以被主流超导理论解释的常规超导体；还有一类是无法用主流理论解释的非常规超导体。非常规超导体通常很复杂，可以在相对较高的温度下表现出超导性，是物理学家在寻找室温超导体的道路上所关注的焦点。

新研究所发现的这种全新的机制，为发现非常规超导体打开了一扇新的大门，并在一定程度上改变了人们对于是什么驱动了向列的认知。实现非常规超导的途径有很多，而新的发现为实现非常规超导提供了一个新的途径。

参考来源：

https://news.mit.edu/2023/physicists-discover-new-switch-superconductivity-0622

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01585-2

封面图&首图：DavidZydd / Pixabay