超导体能够无阻传导电流，但大多数超导材料只能在接近绝对零度的极低温度下工作。20世纪80年代末，科学家发现一类被称为铜氧化物（cuprates）的材料可以在更高温度下实现超导——这个温度范围可以用价格低廉的液氮来达到。然而将近40年过去了，物理学家们仍未就其背后的原理达成一致。

在最近一期《科学》杂志的研究中，由慕尼黑大学的米兰·阿兰（Milan Allan）和荷兰乌得勒支大学的英格玛·斯瓦特（Ingmar Swart）领导的物理学家团队，通过"倾听"电流流入铜氧化物时产生的微弱电噪声，找到了一些答案。

消失的电子

铜氧化物高温超导之谜的核心，在于一种被称为"伪能隙"（pseudogap）的奇怪状态。"伪能隙是一种电子消失的现象，"阿兰说。在铜氧化物转变为超导态的温度之上，材料中的部分电子似乎凭空消失了——测量显示，在本应存在电子的能量区间内，实际探测到的电子数量远少于预期。"大家从不同的探测手段中都能看到这些'消失的电子'，但没人知道原因，"阿兰说。

数十年来，物理学家提出了两种主要的竞争性解释。第一种假说认为，电子被困在了某种结构中。按照这一观点，电子会冻结成某种图案，比如电荷密度波，而超导性则是独立发展起来的。另一种解释则将这一现象与超导性紧密关联。"也有人认为电子'消失'是因为它们配对了，"阿兰说。电子配对形成的"库珀对"（Cooper pairs）正是超导体中负责导电的载体。如果在材料冷却过程中，这些电子对在材料真正进入超导态之前就已经形成，那么它们就相当于超导性的一个前提条件——一种"候车室"状态，电子对已经存在，但还不能同步协调地移动。

要厘清这个问题极为困难。"许多不同的实验信号都被笼统地归入这个范畴，"阿兰说。各种仪器都能观测到某些现象，但阿兰表示，这些读数从来都无法给出确定性的结论。"结果总是有些模糊不清，难以把握，"他说。研究人员需要的是一种能够直接观测到电子对的方法，而阿兰和他的同事们找到了办法。

更重的"雨滴"

研究团队决定去"倾听"散粒噪声（shot noise）——这是由构成电流的单个电荷到达时引起的微小波动。阿兰说，这就像雨滴敲打屋顶的声音。"假设你有一些雨滴，突然之间雨滴的重量变成了原来的两倍，那么噪声就会变大，"阿兰说。"电子的情况也类似。如果两个电子总是结伴而来，因为它们配对了，那么噪声就会更大。"

研究人员使用扫描隧道显微镜进行了这项测量，该仪器可以让电流在针尖和铜氧化物样品之间流动，从而使他们能够在特定能级和样品表面的不同位置"倾听"噪声。在常规超导体中，电子配对会使噪声清晰地加倍。而在铜氧化物中，这一信号要微弱得多，因为单个电子会继续与成对的电子一起流动。

让仪器灵敏到足以分辨出电子对，花费了数年时间。"靠的是非常有才华且极具耐心的学生们，他们用了大概四年时间才让这套设备运转起来，"阿兰说。"这不是靠某个单一的窍门，而是靠电子学方面精益求精的工艺打磨出来的。"

能隙处的台阶

研究团队检验了一种被称为BSCCO的铜氧化物晶体样本，将其冷却到接近绝对零度的几度范围内，并将噪声与电子消失所对应的能量进行了比较。通过调整针尖与样品之间的电压，研究团队可以选择他们想要"倾听"的电子能量，这有点像调节收音机的旋钮。研究团队推测，如果伪能隙完全源于冻结的电子图案，那么配对产生的额外噪声应该只会在与超导性相关的能级才出现。但实际观测到的结果是，配对信号恰恰出现在伪能隙对应的能量处。

"噪声的增加表明，电子配对与这个较大的能隙存在关联，"阿兰说。伪能隙的能量在样品表面各处有所不同，但无论团队在哪个位置进行测量，额外噪声总是在该位置局部伪能隙对应的能量处开始上升。在化学成分不同的样品中，也观察到了相同的规律。

排除其他可能的噪声来源（例如表面原子的移动）花费了大量精力。"噪声的解读非常困难，这基本上是我们最'失眠'的部分，"阿兰说。最终的决定性验证，是将样品置于高达6特斯拉的磁场中——磁场会抑制电子配对，但基本不会影响电子消失的整体分布规律。随着磁场增强，噪声逐渐回落至单电子水平，这正符合如果噪声确实源于电子对所应呈现的预期。

电子配对的强度可以用拆开一对电子所需的能量来表示。降低温度有助于增强配对，因为材料温度越高，其内部粒子的无序运动就越剧烈，电子对也就越容易被破坏。在常规超导体中，实现超导所需的两个要素——电子配对和相位相干性（即电子开始像流体一样协同运动）——是在临界温度下同时发生的。而阿兰和斯瓦特的研究表明，铜氧化物中的情况遵循着不同的顺序。

研究团队测得的配对能量，远高于材料实际进入超导态的温度所对应的能量。"因此呈现出的图景是，电子对会先预先形成，然后只有在更低的温度下，相位相干性才会出现，"斯瓦特说。这表明，超导性实现的瓶颈并不在于让电子配对，而在于让这些电子对实现协同运动。

"如果在如此高的能量下就能实现配对，这意味着或许有可能把临界温度（Tc）推得更高，"阿兰说。"这正是人们在铜氧化物研究早期曾抱有的期望，而现在大家甚至都不敢提起这个想法了。但对我来说，这给了我希望。"

审慎看待这一希望

对这一研究结果较为乐观的解读是，铜氧化物中的电子理论上可以在室温下配对，我们只需要让它们实现相位相干，就能得到室温超导体。不过研究团队认为，这种想法有些过于简单。"我和英格玛都认为事情不会这么简单，因为其中还耦合着各种其他效应，"阿兰说。

研究人员还强调，他们的实验并没有完全解答这个核心问题。该实验排除了伪能隙完全源于冻结图案这一假说，但并不能排除这类图案与电子配对相互交织的可能性。"无论伪能隙的具体成因是什么，电子配对都应该是其中的一部分，"斯瓦特说。

由于研究中所用的技术在温度升高时灵敏度会下降，研究团队目前还无法在超导温度以上的区域（通常定义伪能隙的区域）进行"倾听"。"希望其他研究团队能够做到这一点，"阿兰说。"是什么限制了临界温度，尤其是当配对能量本身很高的情况下？在临界温度处究竟发生了什么？对我来说，这才是最有意思的问题。"

斯瓦特希望能够绘制出分辨率更高的表面噪声图谱，并最终开发出一种能够直接探测相位相干性的仪器，他希望这样就能分别找到相位相干性和电子配对各自出现的标志性信号。而阿兰则越来越倾向于认为，寻找更优超导材料的道路，更多要依靠化学手段并借助AI辅助，而不是纯粹的物理学方法。"在致力于改进超导材料、提升临界温度这件事上，我更倾向于相信直接的试错方法，"他说。

论文信息：Science, 2026: 10.1126/science.adt3444