40年来，科学家一直默认一种超导材料"表里如一"，内部结构处处相同。
现在，这个看似理所当然的假设被一束强大的X射线打破了。
这一发现不仅可能改写人们对一类经典超导材料的理解，还可能为寻找更好的超导体指明新方向。
英国华威大学的研究人员与位于法国的欧洲同步辐射装置合作，发现一种铜基超导晶体并不均匀。它内部由两种略有差异的原子排列方式组成，而且两者之间的边界区域远比预想的要宽。
这项研究于2026年9月17日发表在国际权威物理期刊《物理评论快报》上。论文作者为埃薇·拉德布鲁克、乔恩·赖特和马克·森。
研究由华威大学化学系教授马克·森领衔。他指出，40年来，学界的工作假设一直是这些材料从里到外都一样。
超导"明星"铜氧化物
所谓超导，是指某些材料在低温下电阻突然消失，电流可以毫无损耗地流动。
这种神奇的性质，有望彻底改变电网输电、医疗磁共振成像、强磁体乃至量子计算机等众多领域。
以输电为例，传统电网在传输过程中会损耗相当一部分电能。如果能用超导电缆替代，节省下来的能源将是一个惊人的数字。
但大多数超导体需要冷却到接近绝对零度才能工作，成本高昂，限制了大规模应用。
1986年，瑞士科学家贝德诺尔茨和米勒发现了铜氧化物高温超导体，次年便获得了诺贝尔物理学奖。
所谓"高温"，其实仍然非常寒冷，但相比传统超导体已经高出许多，因此被视为重大突破。
此次研究的对象，是一类被称为"214"型的铜氧化物超导体，它也是最早被发现、研究最充分的铜氧化物家族之一。
四十年来，科学家对它进行了无数测量，却始终没有看清其内部的真实面貌。
原因在于，研究者往往默认晶体是均匀的，因此把整块材料的平均测量结果当作其真实性质。这种做法简便有效，却可能掩盖了内部的不均匀性。
给晶体做"CT扫描"
三维X射线重建揭示了214铜酸盐超导材料中不同晶体结构的区域。深色区域具有预期的结构，而浅色区域则显示出不同的结构。它们之间的边界区域宽度约为150纳米。图片来源：马克·森教授/华威大学
这一次，研究团队使用了一种名为"扫描三维X射线衍射"的技术。它的原理类似医院里的CT扫描，只不过拍摄的不是人体器官，而是晶体内部的原子排列。
传统测量手段往往只能得到整块材料的平均信息，或者只能看到表面。新技术则能逐点"扫描"晶体内部，构建出完整的三维结构图。
这项技术之所以能够实现，得益于欧洲同步辐射装置近期完成的一项价值1.5亿欧元的升级。升级后的X射线光束亮度大幅提升，能够捕捉到此前难以察觉的细节。
扫描结果令人吃惊。晶体中既有预期的结构区域，也有另一种结构不同的区域。
两种结构的差异十分细微，原子排列只存在轻微的倾斜或错位。若没有高分辨率的三维成像，几乎不可能被发现。
更关键的是，这两种区域之间的边界宽度约为150纳米，远远超出研究人员的预期。
这些边界宽得几乎像是一种独立的结构，而不仅仅是两块区域之间的一条"细线"。
150纳米听起来很小，但在原子尺度上，它相当于数百个原子层的厚度。如此宽阔的过渡地带，足以对电子的行为产生显著影响。
改写超导研究的"地图"
这一发现意义重大。
森教授表示，这些异常宽阔的边界区域，很可能对超导性起到抑制作用，而不只是与之并存。
如果这一判断成立，就可能解释为什么一些材料的超导性能比另一些更好。
研究团队还推测，这种结构复杂性在整个铜氧化物家族中可能相当普遍，在一些高压下研究的相关材料中也可能存在。
这意味着，过去基于"材料均匀"假设得出的一些整体测量结果，或许需要重新解读。
未来的理论模型，也必须把这种结构复杂性考虑进去。
更重要的是，这项研究所使用的三维成像方法，可以推广到其他功能材料的研究中。许多材料的"隐藏结构"，或许都在等待被重新审视。
打个比方，这就像人们一直以为一块蛋糕从里到外都是同一种口味，切开后才发现里面藏着夹层，夹层之间还有厚厚的奶油。
高温超导的机理，是凝聚态物理中最著名的未解之谜之一。几十年来，无数理论被提出，却始终没有定论。
如果连材料本身的结构都没有完全弄清，那么基于理想化结构的理论推导，自然难以与实验完全吻合。
也许，解开谜题的钥匙之一，就藏在这些被长期忽视的"边界地带"里。
对于寻找更高性能超导材料的科学家来说，这项研究提供了一个新的视角：要提升超导性，或许先要学会"管理"材料内部的结构边界。
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