微弱电信号指向缺失的一块拼图
能量高达70毫电子伏特的电子对，为物理学家解开一桩持续近四十年的谜团提供了新线索：为什么氧化铜超导体能在远高于传统超导体的温度下失去电阻。研究人员通过测量电流中的微小涨落发现，配对能量与一种令人费解的特征——赝能隙——相对应，即使这种能量在晶体表面不同位置发生变化也是如此。
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这项研究由慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的米兰·艾伦（Milan Allan）和乌得勒支大学的英马尔·斯瓦特（Ingmar Swart）领导，莱顿大学及其他机构的研究人员参与。他们研究了一种名为BSCCO的氧化铜材料。研究结果将赝能隙与电子对的形成联系起来，并将研究视线引向超导的另一项必要条件：让这些电子对协同行动。
据大学发布的研究公告，牛家森（Jiasen Niu）及其同事的研究题为《铜基高温超导体中赝能隙与配对能量的等价性》（Equivalence of pseudogap and pairing energy in a cuprate high-temperature superconductor），于2026年11月5日发表于《科学》（Science）。其DOI为10.1126/science.adt3444。这项实验为寻找能在较高温度下无电阻导电的材料提供了更精确的研究目标。
赝能隙意味着什么
BSCCO属于一类称为铜氧化物的材料。温度高于这些材料转变为超导体的临界温度时，测量结果可能显示，在某个特定能量范围内可用的电子态较少。物理学家称这种部分缺失为赝能隙。电子仍留在材料中，但其行为变化会影响测量仪器能够检测到的信号。
数十年来，两种主要解释一直相互竞争。一种认为电子可能会排列成某种图案，例如电荷密度波，即电荷形成重复结构。另一种认为，在材料能够无电阻导电之前，电子可能已经开始组成库珀对——与超导相关的配对状态。
两者的区别很重要，因为这会改变研究人员应当尝试改进的方向。如果电子对已经存在，一项核心挑战便是让它们组织成共同的量子态。新测量结果将电子配对置于赝能隙解释的核心，同时也不排除电荷图案与配对并存。
听辨电子对，而非单个电子
研究人员通过测量散粒噪声来寻找电子对。散粒噪声是由于电荷以离散的份额到达而产生的微小随机涨落。日常尺度下，电流看似平稳，但灵敏度足够高的仪器能够检测到其微观层面的不均匀性。
研究负责人之一艾伦用雨滴落在屋顶上的情景解释了这一原理：
假设有雨滴落下，突然间每一滴雨的重量都变成原来的两倍，那么噪声就会更大。
电子对所携带的电荷是单个电子的两倍。它们会改变电流中的噪声，为研究人员提供辨别配对的方法，而不必只依赖可检测电子态数量的变化。
研究团队使用了扫描隧道显微镜，让电流在一个极尖锐的探针与样品之间通过。移动探针即可测量表面不同位置；改变电压则可选择要考察的能量。借助这两种控制方式，研究人员得以比较局部赝能隙与局部配对信号。
历时四年捕捉微弱信号
BSCCO给测量带来了不小的挑战。在传统超导体中，配对会使散粒噪声清晰地加倍。而在这项铜氧化物实验中，单个电子仍与电子对一起贡献电流，使得额外噪声微弱得多。
学生们花了约四年时间改进提取这一信号所需的电子设备。这些设备由研究人员自行开发和制造，具备了区分单个电子与电子对所产生信号的灵敏度。
艾伦这样形容仪器研发过程：
没有什么单一诀窍。这靠的是电子技术上的精湛工艺。
研究人员还必须排查电流涨落的其他可能原因，包括表面原子的运动。确认额外噪声从何处开始、如何随位置变化，以及它对磁场如何响应，都是实验中的关键环节。
配对能量随赝能隙变化
研究人员将由铋、锶、钙、铜和氧组成的BSCCO晶体冷却到比绝对零度高几度的温度。在每个测量位置，与配对相关的额外噪声都出现在当地赝能隙对应的能量处。赝能隙能量发生变化时，配对信号也随之变化。
2025年3月19日，乌得勒支大学研究人员迈亚伦·奥尔特戈·拉拉萨瓦尔（Maialen Ortego Larrazabal）在APS全球物理峰会上介绍了相关研究，报告称配对能量最高达到70毫电子伏特，即meV。APS会议摘要还记录了配对能量在材料中的变化，并注明相关预印本编号为arXiv:2409.15928。
毫电子伏特是一种能量单位，用于描述原子和电子尺度上的过程。这里的配对能量描述的是配对态的强度。重要发现是，这一能量与赝能隙高度吻合，两者都存在局部变化。
在化学成分不同的样品中，也观察到了相同关系。因此，研究人员在不同表面位置和不同样品中都发现了这种联系，而非只在单个位置找到吻合。
磁场提供了另一项验证
研究人员施加了最高6特斯拉的磁场，以检验额外噪声的来源。随着磁场增强并抑制配对带来的信号，噪声回落到接近单个电子所产生的水平。与此同时，电子态减少的大致整体模式基本保持不变。
这一响应进一步支持额外噪声与电子配对之间的联系。对赝能隙的解释如今必须将配对纳入其中，同时也要考虑材料中可能存在的电荷结构。
乌得勒支大学研究负责人斯瓦特这样概括结论：
无论赝能隙的具体解释是什么，配对都应当是其中的一部分。
电荷密度波仍可能与配对态交织在一起。研究人员要解决的问题，是解释这些行为如何相互关联，以及它们如何影响超导开始出现的温度。
形成电子对只是第一步
超导既需要电子配对，也需要相位相干。相位相干意味着电子对在整个材料中共享一种有序的量子态。可以用舞池作个简单比喻：每一对舞伴都能步调一致，但整个舞池仍需要共同的节奏。
在传统超导体中，配对与集体协调会在临界温度同时出现，通常记作Tc。铜氧化物的研究结果则支持一种不同的过程：配对对应着较高的能量尺度，只有材料进一步冷却后才会出现集体相干。
斯瓦特解释了测量结果呈现出的图景：
由此呈现出的图景是，首先形成预配对，只有在温度进一步降低时，才会出现相位相干。
对于试图提高Tc的研究人员来说，研究重点因此转向控制电子对协同作用的因素。如果材料也能维持相干性，那么强配对就可能为提高转变温度创造空间。因此，配对强度与协同行为的起始条件需要分别研究。
室温超导仍是目标，测量能力尚待提升
大学发布的公告认为，这种配对强度为寻找室温超导材料带来了希望。斯瓦特认为，维系电子对的相互作用足够强，能够让配对在室温下保持稳定，因此相位相干很可能是主要瓶颈。
斯瓦特在公告中这样解释这一观点：
将这些电子对结合在一起的‘黏合剂’足够强，即使在室温下也能让它们保持在一起。
直接噪声测量是在极低温下进行的。温度升高时，这项技术的灵敏度会下降；研究团队无法在Tc以上、通常研究赝能隙的温度范围内测得配对信号。在这一较高温度区间进行直接测量，仍是实验目标；对室温情况的判断则基于已测得的配对能量。
艾伦也预计，寻找答案需要研究多种相互关联的物理效应，而非只调整一个因素。要让相干性在更高温度下出现，就必须了解配对、电荷图案以及材料的其他性质如何相互影响。
后续实验将区分配对与协同作用
斯瓦特希望绘制空间细节更精细的噪声图，并最终研制出能够直接检测相位相干的仪器。分别测量这两种性质，有助于揭示配对何时出现、相干性何时形成，以及超导转变时发生了什么变化。
提高测量温度也是一项优先任务。将噪声测量技术扩展至Tc以上，研究人员便能在与赝能隙最密切相关的温度范围内直接研究配对。目前尚未公布这些工作的完成时间。
这项研究已经历了多个公开阶段：
- 2025年3月19日：奥尔特戈·拉拉萨瓦尔在APS全球物理峰会上介绍了局部噪声测量结果以及最高达70 meV的配对能量。
- 2026年11月5日：大学公告记录了该研究发表于《科学》。
- 下一步研究目标：提高空间分辨率，将测量扩展到更高温度，并直接检测相位相干。
艾伦也认为，化学研究以及人工智能辅助实验有助于寻找更好的材料。理解物理机制可以帮助确定有用的研究目标，而制备并测试新的成分，则能揭示哪些组合确实可以提高Tc。
这项研究具有重要的现实意义。电阻会将有用的电能转化为热量，而超导能够让电流在没有这种损耗的情况下流动。对许多超导技术而言，冷却仍是一项沉重负担。如果一种材料能在更高温度下同时维持配对与相干性，就可能减轻这一负担。不过，目前的直接成果是让研究人员更清楚地了解需要测量和控制什么。
要点
- 研究人员通过测量电流中的微小涨落，将BSCCO中的赝能隙与电子配对联系起来。
- 配对能量最高达到70 meV，并在表面不同位置发生变化，与局部赝能隙能量相对应。
- 最高6特斯拉的磁场将额外噪声降低到接近单个电子所产生的水平。
- 研究结果支持这样一种图景：电子对先形成，之后才获得实现超导所需的集体协同性。
- 实验在极低温下测量了噪声。直接测量超导转变温度以上的情况仍是未来目标。
- 后续研究将聚焦于更高温度下的测量、更精细的图谱以及对相位相干的直接检测。
