100多年前发现的超导性继续吸引着科学家们，他们试图开发用于高效能源传输、超高速电子或下一代计算的量子比特的组件。然而，在寻找这类特殊材料的新候选材料时，确定是什么导致了物质成为或停止成为超导体仍然是一个核心问题。
在潜在的超导体中，电子可能有几种排列方式。其中一些增强了超导效应，而另一些抑制它。在一项新的研究中，美国能源部阿贡国家实验室(DOE)的科学家们解释了这两种安排相互竞争的方式，并最终影响了一种材料成为超导材料的温度。
在超导状态下，电子结合成所谓的库柏对，其中电子的运动是相互关联的;在每一时刻，参与给定电子对的电子速度是相反的。最终，所有电子的运动都是耦合的——没有一个电子能做它自己的事情——这就导致了电流的无损流动:超导性。
一般来说，电子偶对越强，参与的电子越多，超导跃迁温度就越高。
潜在高温超导体材料不是简单的元素，而是包含多种元素的复杂化合物。结果表明，除了超导性，电子在低温下可能表现出不同的性质，包括磁性或电荷密度波阶。在电荷密度波中，电子在材料内部形成高低浓度的周期性图案。束缚在电荷密度波中的电子不参与超导，这两种现象相互竞争。
该研究的通讯作者、阿贡材料科学家乌尔里希·威尔普(Ulrich Welp)说:“如果你移走一些电子，放入电荷密度波，超导效应的强度就会减弱。”
阿贡团队的工作是基于电荷密度、波阶和超导性受材料缺陷影响的不同。通过引入无序，研究人员抑制了电荷密度波，破坏了周期性的电荷密度波模式，而对超导性只有很小的影响。这为调整相互竞争的电荷密度波级与超导性之间的平衡开辟了一条道路。
为了引入无序，使电荷密度波状态受损，但超导状态基本保持不变，研究人员使用了粒子辐照。通过用质子束撞击材料，研究人员敲掉了几个原子，改变了整个电子结构，同时保持了材料的化学成分不变。
为了了解电荷密度波的命运，研究人员利用了阿贡先进光子源(APS)、美国能源部科学用户设施办公室(DOE Office of Science User Facility)和康奈尔高能同步加速器(Cornell High Energy Synchrotron Source)的最新x射线散射技术。“x射线散射对于观察材料中这种电子秩序的微妙之处至关重要，”Argonne物理学家和研究作者Zahir Islam说。“我们发现，无序原子的稀释浓度确实会降低电荷密度波，从而增强超导性。”
据Islam说，尽管APS目前的卓越性能允许系统地研究来自微小单晶样品的电荷密度波，尽管它的散射强度相对较弱，但即将计划升级的设施将为研究人员提供观察这些现象的最高灵敏度。此外他说，科学家们将受益于在极端环境中研究这些材料，特别是在高磁场下，使天平向有利于电荷密度波的方向倾斜，从而获得对高温超导性的必要了解。
在这项研究中，科学家们研究了一种叫做镧钡氧化铜(LBCO)的材料。在这种材料中，当材料达到一定的化学成分时，超导温度几乎骤降到绝对零度(-273摄氏度)。然而，对于密切相关的组分，过渡温度仍然相对较高。科学家们认为，低温超导效应是由于电荷密度波的存在，抑制电荷密度波可能会导致更高的转变温度。
阿贡杰出研究员及研究作者郭伟光解释说，电荷密度波因无序而受损时，超导就会受益。他说:“从超导体的角度来看，我的敌人的敌人实际上就是我的朋友。”
《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences) 5月13日网络版刊登了一篇基于该研究的论文《无序提高了铜超导体的临界温度》(Disorder the critical temperature of A cuprate superconductor)。
