銅酸鹽高溫超導體被發現近40年，然而驅動它高溫超導的關鍵機制，至今仍是物理學界懸而未解的難題。清華大學理學院院長牟中瑜與跨國研究團隊首次證實，銅酸鹽高溫超導體複雜的「狀態地圖」中，存在一個長期被超導態遮蔽的「量子臨界點」，並進一步釐清跨過這個臨界點前後，材料的量子狀態發生什麼改變。這項成果讓高溫超導體複雜的「狀態地圖」更加清楚，可作為未來檢驗相關理論的重要依據。研究成果已刊登於國際頂尖期刊《自然通訊》。

 

牟中瑜解釋，「超導」是一種量子現象，材料進入超導狀態後，會具有電阻降為零與排斥磁場等特殊性質；而「高溫超導」並非指日常生活中的高溫，而是相較於傳統超導體，可在較高溫度就先進入超導態。1987年中央研究院院士朱經武與吳茂昆發現銅酸鹽高溫超導體後，掀起了全球研究熱潮，但科學家仍未完全解開銅酸鹽形成高溫超導的機制。

 

牟中瑜說，量子臨界點原本應呈現特定的臨界行為，但由於它落在超導區域內，材料在接近臨界點前已先進入超導狀態。超導與其他量子秩序彼此交織，使原本應有的臨界特徵變得複雜且難以辨認，因此科學家長期難以確認它究竟是否存在、以及確切位在何處。

 

為找出這個隱藏的臨界點，研究團隊利用國家同步輻射研究中心台灣光子源的高解析度共振非彈性X光散射，觀察銅酸鹽高溫超導體──鑭鍶銅氧化物。研究人員改變材料的溫度及電子摻雜濃度，藉由X光觀察內部電子的電荷分布如何變化，並追蹤「電荷密度波」的變化。

 

牟中瑜說，電荷密度波可理解為電子的電荷分布不再均勻，而是在空間上呈現週期性「一下疏、一下密」的波動，也是高溫超導複雜相圖中的重要量子秩序。團隊分析後發現，不同溫度及摻雜濃度下取得的實驗數據，看似各不相同，背後卻遵循相同的量子臨界規律，這種現象稱為「量子臨界尺度律」，是材料接近量子臨界點時的重要特徵，也成為團隊確認量子臨界點存在的關鍵證據。