反鐵磁絕緣體於意外溫度出現超導特性，開闢室溫超導體新途徑

電子配對成「庫柏對」是超導體出現的必要條件之一，現在，物理學家不只觀察到庫柏對出現的溫度比預期更高，還來自人們意想不到的一種反鐵磁絕緣體材料。雖然該材料不具備零電阻特性，但這項發現表明我們或能找到方法，將類似材料設計成室溫超導體。

自超導體被發現以來，其神秘特性一直讓研究人員感到敬畏，這種特殊材料內部電阻為零，因此電流流動不會損失任何能量，在能源、交通、醫療、電腦、計算等領域應用潛力巨大，對未來科技發展具重要意義。

然而材料表現出超導特性所需溫度通常極低（不同材料的臨界溫度各異），一旦加熱，超導材料就會變回普通導體（電流還是能流動，但會損失能量），或變成完全不導電的絕緣體；此外，原本應該相互排斥的 2 個電子結合成「庫珀對」形式且運動同步（相干），也是超導現象關鍵，若電子成對但不相干，該材料最終可能變成絕緣體。

研究人員一直尋找能在更高溫度（甚至室溫）下發揮「魔力」的超導材料，這將改變從電腦、手機到電網、交通等各種現代技術；此外，超導體獨特量子態也能成為量子電腦的優良建構基礎。

室溫超導潛在新途徑

在超導體中，電子像舞池裡 2 個沉默寡言的人，起初雙方都不想與對方跳舞，但當 DJ 播了一首曲子，他們注意到彼此都喜歡這首歌，從遠處慢慢互相吸引，此時 2 個電子已看對眼，但腳步尚未變一致，待 DJ 播放另一首 2 個電子都非常喜歡的歌，它們突然配對成功並跳起雙人舞，很快地，舞池所有人都跟上它們腳步、聚集在一起跳同首舞，此時材料便處於超導狀態。

而 SLAC 國家加速器實驗室團隊的新研究，便觀察到上述處於相互看對眼、但還未起身跳雙人舞的配對電子，且出現在令人意想不到的反鐵磁絕緣體材料中。

▲ 在舞池中，原本互相排斥的電子配對成「庫柏對」示意圖。

電子配對起舞原因來自底層材料本身振動，這種配對通常發生在傳統超導體材料，於零下 248℃ 表現出超導性，但一些非常規超導材料如：銅酸鹽，擁有目前已知最高溫的臨界溫度（可達零下 143℃），科學家普遍認為除了晶格振動，還有其他機制幫助銅酸鹽內的電子配對，儘管不確定背後原因，但主要說法為波動的電子自旋導致電子配對並以更高角動量跳舞。

解開銅酸鹽電子配對的驅動因素，能幫助設計在更高溫度工作的超導體，不過 SLAC 國家加速器實驗室團隊選擇了更像傳統超導體的銅酸鹽家族：釹鈰銅氧化物（*neodymium cerium copper oxide）作為調查目標。

與其他銅酸鹽相比，釹鈰銅氧化物最高超導溫度相對較低（零下 248℃ ），且多數家族成員都是絕緣體，為了觀察銅酸鹽原子細節，研究人員以紫外線照射樣本、使電子從材料中發射，但當電子處於配對狀態時能稍微抵抗光子，使材料僅損失一點能量，稱為配對能隙。

團隊觀察到，雖然零電阻狀態僅在非常低溫度出現，但這種材料在高達零下 133℃ 溫度仍存在能隙，表明電子於相對高的溫度形成庫柏對，雖然銅酸鹽可能不是室溫超導材料的最佳選擇，但新發現為室溫超導開闢一條潛在新路徑，若我們能找到一種新方法同步電子，或許能常嘗試開發出更高工作溫度的超導體。

新論文發表在《科學》（Science）期刊。

（圖片來源：SLAC 國家加速器實驗室）