Thomas-Fermi screening of electrostatic fields in a type-I superconductor
通过在单晶 Pb(111) 上使用 qPlus 原子力显微镜和扫描隧道显微镜，本研究实验性地证明了 I 型超导体中的静电屏蔽仍由托马斯-费米长度而非伦敦穿透深度所支配，从而反驳了 J. E. Hirsch 的替代理论，并证实了纵向响应在进入超导态时并未发生改变。
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近一个世纪以来，物理学家一直依赖一套规则来描述超导体如何运作。这些材料能够无电阻地导电，并因其排斥磁场（即迈斯纳效应）而闻名。这种排斥现象的发生，是因为超导体创造了一个屏蔽层，将磁力线推开，但这种屏蔽仅限于一个被称为伦敦穿透深度的特定距离。几十年来，主流观点认为，虽然超导体非常擅长阻挡磁场，但它们并不会改变处理静态电场的方式。根据这种传统理解，超导体附近的电场会被屏蔽或阻挡在一个极短的距离内，大约仅为一个原子的宽度，就像在普通金属中一样。然而，几年前，物理学家 J. E. Hirsch 提出了一个不同的想法。他指出，控制超导体屏蔽电场的规则可能与控制磁场的规则相同。如果他的理论正确，那么当材料冷却并进入超导状态时，超导体屏蔽电场的距离会突然变得长得多，从一个原子的宽度变为扩大数千倍的距离。这一可能性引发了一场辩论，因为这意味着我们对这些材料运作方式的基本理解需要重写，并可能对未来依赖电场控制超导体的电子器件产生影响。
诺丁汉大学的一个研究小组决定通过直接观察超导体表面来解决这个问题。他们选择了一块铅单晶，铅是一种在冷却到极低温度时会进入超导态的金属。为了测试相互竞争的观点，他们需要测量材料在表面处对微弱电场的反应。他们使用了一种名为扫描隧道显微镜的高灵敏度仪器，这种仪器可以感知尖端与表面之间的作用力，并能测量电子流。研究人员将铅样品的温度冷却到约 3 40 毫开尔文，这个温度如此之低，仅为铅正常进入超导转变点的 5%。在这个温度下，材料处于稳固的超导态。为了将这种状态与常态进行比较，他们在表面施加了 200 毫特斯拉的磁场。这个磁场足以破坏超导性，在不改变温度或显微镜尖端位置的情况下，将铅变回普通金属。通过开启和关闭磁场，他们可以在同一个表面位置观察到超导态和常态下的精确情况。
团队测量了两种不同的物理量，以观察电场屏蔽是否发生了变化。首先，他们测量了显微镜尖端与样品之间的力，记录了随着尖端靠近或远离样品时的力变化。如果如 Hirsch 所预测的那样，电场在超导态下被屏蔽的距离变得长得多，那么尖端感受到的力将会发生显著变化。他们对同一位置进行了数十次测量，并对结果取平均值以获得清晰的图像。数据显示，无论铅是超导态还是常态，受到的力都是完全一样的。两种状态之间的差异极其微小，甚至被掩盖在了测量的自然噪声之中，微小到不足以支持存在长程电场屏蔽的观点。
为了确保万无一失，研究人员使用了第二种独立的测量方法。他们观察了电子从尖端跳跃到样品的过程所释放的能量，这一过程会产生被称为场发射共振的独特模式。这些模式就像是表面附近电场环境的“指纹”。如果电场屏蔽长度发生了变化，这些电子的能量水平就会发生偏移。研究人员对比了超导态与常态下的能量模式。结果显示，这些模式完美重合，没有观测到任何能量偏移。这证实了无论是在哪种状态下，电场都被阻挡在相同的极短距离内。
结果是决定性的。研究人员发现，在常态与超导态之间，电场屏蔽的变化小于 1%。这比 Hirsch 理论预测的数值要小数百倍。数据排除了这样一个观点，即当材料进入超导态时，屏蔽长度会扩张到磁屏蔽的大小。相反，研究结果支持了传统观点：迈斯纳效应（阻挡磁场的现象）是一个独立的现象，并不影响材料阻挡静态电场的方式。无论材料是超导体还是普通金属，电场始终被屏蔽在单个原子的微小距离内。这项工作为这一特定的理论争端画上了句号，证实了在超导体中，电场与磁场的规则即使在最基础的层面也是截然不同的。
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