超导是一种电流可以在材料中无电阻流动的现象，这一现象已经推动了数十年的研究，并有望彻底改变从远距离输电到量子计算等诸多领域。

然而，超导现象至今仍未被完全理解。在许多高温超导体中，向超导态的转变并非是从一种常规金属态中直接产生的。相反，材料会先进入一个耐人寻味的中间区间，称为赝能隙。在这一区间，电子开始表现出不寻常的行为，而且可供电子在材料中流动的电子态的数量会变得更少。物理学家们普遍认为，理解赝能隙，对于揭示超导背后的机制，以及设计性能更加优异的材料至关重要。

在一项于近期发表在《美国国家科学院院刊》的研究中，一个国际物理学家团队揭示了磁性与赝能隙的之间的神秘关联。新发现是理解非常规超导的重要一步，或将有助于设计出具备诸如高温超导等理想特性的新材料。

从混沌到秩序

当被冷却到较低温度时，电子会以一种有序、交替的图样排列起来。由于相反方向的向上/向下自旋彼此抵消，材料整体上不表现出净磁化（总体磁性为零）。

在含有数量不变的电子的材料中，电子会以一种有序、交替的磁性模式排列，这种模式被称为反铁磁性。在这种模式中，相邻电子的自旋指向相反方向。但当电子通过一种称为“掺杂”的过程被移除时，这种磁有序会遭到强烈扰乱。长期以来，研究人员一直认为掺杂会彻底摧毁长程磁有序。

当电子通过一种称为“掺杂”的过程被移除时，磁有序会受到强烈扰乱，电子会组织成一个个磁性“斑块”，而这些斑块具有一个典型尺度——关联长度。

在新的研究中，研究团队转向一个名为费米–哈伯德模型的成熟理论框架。在这一模型中，材料可被视作一张国际象棋的棋盘，电子就像“车”那样在相邻格点之间跳跃。电子的自旋可以是向上或向下。两个电子只有在自旋相反、并且付出一定能量代价的情况下，才能占据棋盘上的同一个格点。借助这一模型，研究人员就能够描绘固体内部电子之间的相互作用。在实验中，研究团队没有使用真实的材料，而是用被冷却到接近绝对零度（仅比绝对零度高十亿分之一度）的锂原子来重建该模型。这些原子被排列在一个由激光场构成的可精确控制的光学格中。

这些超冷原子构成的系统可以充当一种量子模拟器，使科学家能够在受控条件下模拟复杂材料——这是传统固态实验无法做到的。此外，研究团队还使用了量子气体显微镜——这是一种能够对单原子及其磁取向成像的设备，成功拍摄了超过35,000张单原子的高分辨率快照。这些图像揭示了在广泛的温度范围与掺杂程度内，原子的空间位置以及原子之间的磁关联。

冷原子模拟：通过冷却被困在光学格中的原子，研究人员可以对易出现超导性的体系开展量子模拟。最近的一项实验揭示了赝能隙与磁关联长度之间一种耐人寻味的标度关系。（图/Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation）

研究结果令人惊叹！研究人员发现，当以某一特定的温标为横轴作图时，磁关联会遵循同一种单一的普适规律（曲线/标度形态）。而这一温标与赝能隙温度，也就是赝能隙开始出现的那个温度点相当。换句话说，赝能隙与隐藏在看似混沌之下的磁性模式有关。

研究人员还发现，在一区间内，电子并非只是简单地成对相互作用。相反，它们会形成复杂的多粒子关联结构。即便只有一个掺杂也能在出人意料的大范围内扰乱磁有序。不同于以往研究一次只关注两个电子之间的关联，新研究测量了同时涉及多达五个粒子的关联！

揭示隐藏的关联

对理论研究者而言，这些结果为赝能隙模型提供了新的基准。更广泛地说，这些新发现让科学家更接近理解：高温超导究竟如何从彼此相互作用、仿佛“跳舞”的电子的集体行为中涌现出来。通过揭示赝能隙中隐藏的磁有序，研究人员正在揭开一种机制——它或许最终与超导相关。

这项研究也凸显了实验与理论合作的力量。通过将细致的理论预测与高度受控的量子模拟相结合，研究人员得以识别出原本可能一直隐藏的规律。

未来的实验将进一步冷却该系统，寻找新的有序形式，并发展从新视角观察量子物质的新方法。