由普林斯顿大学的研究人员领导的一个国际小组直接观察到了高温含铁超导体中令人惊讶的量子效应。
超导体是无电阻导电的，这使得超导体在远距离输电和许多其他节能应用中很有价值。传统的超导体只能在极低的温度下工作，但大约10年前发现的某些铁基材料可以在相对较高的温度下进行超导，并引起了研究人员的注意。
究竟超导性是如何在铁基材料中形成的是一个谜，特别是因为铁的磁性似乎与超导性的出现相冲突。对铁基超导体等非常规材料的深入了解，可能最终为下一代节能技术带来新的应用。
研究人员研究了铁基超导体在加入杂质钴原子时的行为，以探索超导电性是如何形成和耗散的。他们的发现为60年前的超导行为理论带来了新的见解。这项研究发表在《物理评论快报》杂志上。
普林斯顿大学的研究小组负责人扎希德·哈桑说，添加杂质是了解超导体行为的一种有用方法。这就像我们通过扔石头来探测湖水的波动行为一样。超导特性对杂质的反应方式以量子级的细节揭示了它们的秘密。
一个被称为安德森定理的长期观点预测，尽管加入杂质会在超导体中引入无序，但在许多情况下，它不会破坏超导电性。这个定理是1959年诺贝尔物理学奖获得者菲利普·安德森提出的。但这条规则总有例外。
钴似乎是其中一个例外。与这一理论相反，钴的加入迫使铁基超导体失去超导能力，变成一种普通的金属，在这种金属中，电流随电阻流动，并以热的形式把能量耗散掉。到目前为止，还不清楚这是如何发生的。
为了探索这一现象，普林斯顿大学的研究小组使用了一种称为扫描隧道显微镜的技术，这种技术能够成像单个原子，来研究由锂、铁和砷制成的铁基超导体。他们将以钴原子形式存在的非磁性杂质引入超导体，以观察其行为。
研究人员在极低的温度下测量了大量的样本，大约零下460华氏度（400毫开尔文），这比外层空间要冷近10华氏度。在这些条件下，研究人员定位并识别了晶格中的每个钴原子，然后直接测量它在原子局部尺度和样品的整体超导性能上的影响。
为了做到这一点，研究人员用原子级的分辨率，在这些极低的温度下，研究了超过30种晶体，它们分布在8种不同的浓度上。这项研究的第一作者说：“不能保证任何晶体都能提供我们所需要的高质量数据。”
作为这项广泛实验的结果，研究小组发现，每个钴原子都有一个有限的局部影响，使一个或两个远离杂质的原子消失。然而，随着钴浓度的增加，通过相变进入正常的非超导状态，会有一个强烈的系统演化。通过引入更多的钴原子，超导电性最终被完全破坏。
超导性是由于两个电子的配对形成一个量子态，这个量子态被称为波函数。这种配对使得电子能够快速穿过材料，而不会遇到普通金属中的典型电阻。散射电子并打破电子对所需的最低能量称为“超导能隙”。
当钴原子被加入时，散射强度可以用两种方式来描述：强极限和弱（波恩）极限。玻恩极限散射，以物理学家马克思·玻恩的名字命名，其干扰电子波函数的能力最弱，而电子波函数对电子-电子相互作用和电子配对至关重要。
通过取代铁原子，钴原子表现为极限散射体。虽然极限散射体具有破坏超导性的相对微弱的潜力，但当许多散射体结合在一起时，它们可以破坏超导性。
研究人员发现，对于砷化铁锂材料，玻恩极限的散射显然能够违反安德森定理，导致从超导态到非超导态的量子相变。
超导材料可以用一种称为隧穿谱的特性来描述，这种特性描述了材料中电子的行为，起到了电子能量分布曲线的作用。锂铁砷化物材料具有所谓的“S波”间隙，其特点是超导能隙底部呈扁平的“U形”。完全打开的超导间隙表明超导材料的质量。
令人惊讶的是，钴杂质不仅抑制了超导性，还改变了间隙的性质，使之从u型转变为v型。超导隙的形状通常反映了描述超导性质的“序参量”。这样的形状是有序参数的特征，它只出现在特定数量的高温超导体中，并暗示着极端非常规的行为。
这种进化是不寻常的，促使研究人员深化了他们的研究。通过理论计算和磁性测量相结合，他们能够确认钴的非磁性散射。由于安德森定理指出非磁性杂质对这类超导体的影响应该很小，研究人员意识到必须开发一种替代理论。
在铁基超导体中，科学家们推测，在不同的“费米口袋”中，超导有序参数的相位有一个符号变化，这是由于电子占据晶体结构的规则而形成的能量计数。
事实上，研究小组发现，通过在超导电性的序参量中引入这样的符号变化，他们能够再现钴杂质的奇数演化。除了这些初步计算之外，研究小组还采用了三种最先进的理论方法来证明非磁性钴散射体对这种符号变化超导体的影响。
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