华威大学的科学家们在一种研究了40年的超导体内部发现了一个令人惊讶的秘密。长期以来，被认为具有均匀晶体结构的该材料实际上包含了一种不同原子排列的复杂拼图。研究小组使用了一种先进的3D成像技术，首次深入观察了晶体内部，揭示出隐藏的特征，挑战了几十年的科学假设。高温超导性被认为是过去40年间最重要的科学突破之一。超导体可以在没有任何电阻的情况下传导电流，消除电流通过传统材料时通常发生的能量损失。它们还具有支撑极其强大磁体的潜力，使其在未来的电网、医学扫描仪和量子计算机中具有前景。这项新发现发表在《物理评论快报》上，来自华威大学化学系的研究人员与位于法国的欧洲同步辐射设施（ESRF）合作。研究集中在一类被称为铜基超导体的材料上，这些材料可以在异常高（尽管仍然非常寒冷）的温度下无阻导电。先进的3D成像揭示了隐藏的晶体结构。在过去的四十年中，科学家们一般认为这些材料的超导性理论是基于它们的内部结构是均匀的这一假设。然而最新研究表明，这一基本假设并不总是成立。为了进行调查，研究小组使用了扫描3D X射线衍射，这是一种揭示晶体内部原子排列的先进成像方法。该方法在原理上与医学CT扫描相似，区别在于它描绘的是原子结构而非组织和器官。这使研究人员能够构建超导体内部的详细三维图像，揭示出常规技术未能揭示的结构变化。研究小组没有发现均匀晶体，而是发现了包含两种略微不同原子排列的区域拼图。更令人惊讶的是区分这些区域的边界，宽度比预期的要宽出数百倍。这些异常宽的过渡区并不仅仅是相邻结构之间的狭窄分割线，而是广泛到几乎像独立结构一样，可能会影响电流在材料中的运动。关于超导体的40年假设被推翻了，华威大学化学系负责该研究的马克·森教授解释了为什么这一发现对超导性研究可能具有重大意义。“四十年来，工作假设一直认为这些材料在内部是相同的，几乎所有理论都是基于这一图像构建的。我们已经展示了这一点并不成立。晶体在本质上是拼接和具有纹理的，异常宽的边界区域可能与超导性相对立，而不仅仅是与之共存。这个发现可能解释了为什么某些材料的性能优于其他材料，并意味着一些现有的宏观测量需要重新解释，未来的理论模型需要构建出包含这种结构复杂性的内容。”这一发现表明，内部边界可能会积极干扰超导性，而不仅仅是与之并存。如果是这样，隐藏的结构差异可能有助于解释为什么某些超导材料的表现优于其他材料。这也意味着一些之前的实验，特别是那些测量这些材料整体特性的实验，可能需要重新考虑。未来的理论将需要考虑真实晶体内部复杂的结构，而不仅仅是将其视作完全均匀。发现对未来超导体的意义，研究人员怀疑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。它们也可能出现在一些相关材料中，这些材料正在研究在极高压下成为超导体的能力。除了挑战现有理论外，这项研究展示了新一代成像技术的力量。这些先进测量得益于最近150百万欧元对欧洲同步辐射设施的升级，该设施提供极其强烈的X射线束，用于以极其详细的方式研究材料。这项技术现在使科学家能够以前所未有的精度检查许多不同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，该技术可能在材料科学领域提供宝贵的见解。