高温超导位列过去四十年最重要的科学突破之一。超导体可以在没有任何阻力的情况下传输电流，从而消除了电流通过常规材料时通常会发生的能量损耗。它们还有潜力支持极其强大的磁体，这使其在未来的电网、医疗扫描仪和量子计算机方面前景广阔。
这项发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的新发现，来自华威大学化学系与位于法国的欧洲同步辐射装置（ESRF）合作的研究人员。他们的研究聚焦于一类被称为铜酸盐的铜基超导体，这类材料能在异常高（尽管仍然非常寒冷）的温度下以零电阻导电。
先进三维成像揭示隐藏的晶体结构
四十年来，科学家们在构建铜酸盐超导理论时，普遍基于一个假设，即这些材料内部具有完全一致的晶体结构。这项新研究表明，这一基本假设并不总是成立。
为了进行调查，研究团队使用了扫描三维X射线衍射技术，这是一种精密的成像方法，能够揭示晶体深处原子的排列方式。该方法的原理类似于医学CT扫描，区别在于它绘制的是原子结构而非组织和器官。
这使得研究人员能够构建出超导体内部详细的三维图像，从而暴露出常规技术未曾揭示的结构变化。
他们发现的并非均匀的晶体，而是一个包含两种略有不同的原子排列区域的拼凑结构。更令人惊讶的是分隔这些区域的边界，其宽度比预期的要宽数百倍。
这些异常宽阔的过渡区不仅仅是相邻结构之间狭窄的分界线。它们范围足够大，几乎可以像独立的结构一样发挥作用，从而可能影响电流在材料中的流动方式。
超导体四十年假设被推翻
在华威大学化学系领导这项研究的马克·森恩教授解释了为何这些发现可能对超导研究产生重大影响。
“四十年来，公认的工作假设一直是这些材料从头到尾都是一样的，几乎所有的理论都是建立在这一图景之上的。我们已经证明这并不成立。晶体本质上是拼凑和有纹理的，其边界区域异常宽阔，这可能会阻碍超导性，而不仅仅是与其共存。”
“这或许可以解释为什么某些材料的性能优于其他材料，同时也意味着一些现有的体相测量结果需要重新解读，未来的理论模型也需要纳入这种结构复杂性来构建。”
这一发现表明，内部边界可能会主动干扰超导性，而不仅仅是与其共存。如果情况属实，这些隐藏的结构差异可能有助于解释为何某些超导材料的性能优于其他材料。
这也意味着，以往的一些实验，特别是那些测量这些材料整体性质的实验，可能需要重新考量。未来的理论很可能需要考虑真实晶体内部的复杂结构，而不是将其视为完全均匀的。
该发现对未来超导体的意义
研究人员推测，类似的隐藏结构模式可能在其他铜酸盐超导体中广泛存在。它们也可能出现在正在被研究的、具有在极端压力下表现出超导能力的相关材料中。
除了挑战现有理论外，这项研究还展示了新一代成像技术的强大威力。
这些先进的测量工作得益于欧洲同步辐射装置近期耗资1.5亿欧元的升级，该设施提供了极度强烈的X射线束，用于极其详尽地研究材料。
这项技术现在使科学家能够以前所未有的精度检查多种材料的三维内部结构。通过揭示隐藏的原子结构如何影响材料的行为，该技术有望为材料科学提供宝贵的见解。
对于超导研究而言，其意义尤为重要。了解内部晶体结构如何影响电性能，最终可能帮助科学家找到改进超导材料的方法，从而使更先进的能源系统、强力磁体、医学成像设备和量子技术更接近现实。