近日，科学家们首次发现了超导准晶体。当Al含量降低到15%时，Al-Zn-Mg合金在保留超导性的前提下还会转变成准晶结构，而其临界温度低至0.05 K。这种合金在性能方面与传统弱耦合超导体有些类似，但是却不具备准晶体特有的电子态，这也是准晶体关键的特征态。然而，分形超导电性的存在仍然是可能的。
Al-Zn-Mg准晶的电子衍射图案，该图案呈现出十二面体的博格曼型结构
在低温下材料的性能经常会发生不可思议的转变，其中合金超导性无疑是典型的例子。一个世纪前，科学家发现了固体的电阻在临界温度下会降低至零的现象, 并且这种现象在科研和工业上已经得到了应用。物理和化学专业的学生甚至可以利用超导合金制作悬浮磁铁。
和大多数固体一样，大多数超导体都是晶体：它们结构是由周期性的胞状结构组成的。自20世纪80年代以来，另一种形式的固体——准晶体（QC）吸引了研究人员的注意。尽管QC合金和晶体一样具有对称性，但它们却没有重复单元。这种周期性的缺乏导致了电子结构的独特性。由名古屋大学领导的一个研究小组首次发现了QC的超导性，并将研究结果发表在了Nature Communications上。
该研究小组研究了一种由铝、锌和镁组成的合金。晶体状态一般都被认为具有超导性。然而，Al-Zn-Mg合金的结构取决于这三种元素的比例。研究小组发现，Al对这种合金的性能有着至关重要的影响。该文章的第一作者Keisuke Kamiya指出，“在减少Al含量，同时保持Mg的含量不变的情况下，超导的临界温度从0.8K下降到0.2 K。然而，当Al含量降低至15%时，该合金发生了两种最主要的改变：合金结构变成了准晶结果，临界温度降低至0.05K左右。
这个极低的临界温度，仅仅比绝对零度高1/20，这也是QC合金难以获得超导性的根本原因。尽管如此，QC合金还是显示出了超导体的两个典型特征：在临界温度下的特定热量的跳跃性，而在合金内部则使磁通量完全消失，即Meissner效应。
人类已经对传统晶体中的超导现象有了很清晰的认识。在足够低的温度下，带负电的电子克服吸引力和排斥力组成电子对。这种“库珀对”呈现出一种玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种零电阻的量子态。然而，电子之间的相互吸引依赖于它们与固体晶格的相互作用，而传统理论认为这是晶体状态，而非准晶。
对于准晶合金中超导性的来源，研究小组考虑了三种可能性。其中最独特的想法是“临界特征状态”：这是一种只有在绝对零度才会表现出的特殊电子状态。这种电子状态会在晶体中被扩展，而在非晶体中会被限制，但是在准晶合金中的状态目前还不清楚，这是因为准晶既具有晶体的结构还具有非晶的结构。然而，该团队根据他们的测量结果明确了准晶超导性的机理。这种准晶结构产生了库珀对，这既有可能是扩展的电子状态，也可能是 “弱耦合”状态。事实上，这种合金与典型的弱耦合超导体非常相似。
通讯作者Noriakik.Sato表示：“有趣的是，这种合金的超导性与它的准晶体度没有关系，这和所谓‘脏晶’中的现象有些类似。然而，准晶理论也预测了另一种形式的超导性，这是基于准晶合金的几何结构来预测的。我们相信，分形超导有很大的可能性能为科学的发展做出一些贡献，而我们对最终的测量结果也非常期待。”
文章来自Science Daily
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