科学家发现了首个直接证据——一种被称为“赝能隙”的神秘物相与高温超导性相互竞争，抢夺其电子，而这些电子本可以配对并使以100%的效率导电。

该研究由斯坦福大学（Stanford University）和美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员领导。20多年的研究致力于解决一直困扰人们的问题：赝能隙到底会促进超导性还是会阻碍超导性？解决这个问题将有助于提高电气传输、计算机应用及其他领域的能源效率。

该研究的第一作者Makoto Hashimoto表示，新的研究结论明确说明赝能隙是阻碍超导体在较高温度下工作的“绊脚石”之一。这些结论发表在Nature Materials杂志上。他说：“我们发现了确凿的证据，能证明赝能隙物相与超导性相互竞争并对其产生抑制作用。如果我们能以某种方式消除或更好地处理这种竞争，那么就有可能提高超导体的工作温度。”

追踪电子

在实验中，研究人员采用了一种叫做“角分辨光电子能谱”（ARPES）的技术，将氧化铜材料中的电子撞击出来。氧化铜是一种可在相对较高温度下工作的超导材料，尽管仍需至少冷却到零下135摄氏度。

通过绘制这些被驱逐电子的能谱和动量谱，研究人员了解了电子在材料内部的运动方式。例如，金属中的电子在各原子间或围绕原子自由移动，绝缘体中的电子紧附在原子上。而在超导体中，电子纷纷离开常驻位置并进行配对，达到零电阻状态和100%的导电效率。研究人员在图谱上可发现电子缺失后留下的特征能隙。

而在20世纪90年代中期，科学家在氧化铜超导体的能谱中发现了另一种令人费解的能隙。这种“赝能隙”看起来很像超导电子留下的能隙，但它所出现的温度高于实现一般超导性时的温度。这是超导现象的前奏？是阻碍超导的竞争状态？它从何处而来？人们不得而知。

SLAC和斯坦福大学教授、该研究的资深作者Zhi-Xun Shen说：“这是一个复杂的内部关系。这两种现象的起因可能相同，但最终呈对立状态。当赝能隙赢得胜利时，超导性也就失去了它的地盘。”

竞争的证据

自发现赝能隙以来，Zhi-Xun Shen和同事们就开始使用角分辨光电子能谱对其展开研究，多年来不断进行钻研，力求从飞舞的电子中捕捉到更多有用的信息。

在最新研究中，Hashimoto终于弄明白在材料转变至超导状态的瞬间到底发生了什么。在材料的电子性质以各种方式改变后，他不仅在很大温度范围内测量了电子的能量和动量，而且还测量了从材料中逐出的具有特殊能量的电子数量。

他发现的确凿证据有力地证明：在转变的临界温度点，赝能隙和超导性在相互争抢电子。研究小组成员通过理论计算重现了这种复杂的关系。

斯坦福大学和SLAC的教授、该研究的共同作者Thomas Devereaux解释说：“赝能隙经常会吞掉本该进入超导态的电子。电子在赝能隙中忙着飞舞，超导性试图干预，电子却不让其插手。而当材料进入超导态时，赝能隙就缴械投降，乖乖地把电子释放回来。这是我们取得的能够证明竞争存在的最有力证据。”

未解之谜

科学家仍未解出赝能隙是由什么原因导致的，Devereaux说：“这成为此领域中最重要的问题，因为赝能隙显然会阻碍超导体在更高的温度下工作，而我们却不知其所以然。”

尽管如此，科学家们认为这些结论为进一步研究开辟了新的方向。

Hashimoto说：“现在我们可以从理论方面对赝能隙和超导电性之间的竞争建立模型，这在以前是不可能的。我们可以通过模拟程序再现观察到的那些特征，并改变模拟程序中的变量，以探究赝能隙到底是什么。”

他补充道：“关于这两种状态之间的关系，竞争可能只是其中一个方面。或许会有更深奥的问题，例如，赝能隙是不是超导发生的必要条件？”