顯微技術揭示高溫超導機理，看看電子如何與振動的原子「起舞」

　　2017-07-09 21:56

　　近日，SLAC 國家加速器實驗室和斯坦福大學的科學家在高溫超導領域又有了新發現。通過結合兩種顯微鏡技術，他們觀察了材料中電子和原子振動之間的相互作用，並發現這種耦合作用比之前報道的要強10倍。

　　這就意味著，我們可以在比以往預測的溫度更高的條件下實現超導，進而實現一系列意義深遠的應用，如更高效的輸變電設施和更快的電子通信。

　　該研究發表在《Science》學術期刊上。據描述，科學家結合了X射線自由電子激光器在（X-ray free-electron laser）和角分辨光電子能譜（angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES）來為材料中的原子振動成像，並測量該振動如何影響該材料中的電子。

　　

　　圖丨紅外激光束（橙色）如何引發硒化鐵薄層中的原子振動

　　SLAC 的直線性連續加速器光源（Linac Coherent Light Source, LCLS）中的 X 射線自由電子激光器為一種叫做聲子的原子振動提供了測量數據，而角分辨光電子譜則用於測量材料中的電子的動量和能量。

　　至於本次研究採用的硒化鐵近年在超導領域則得到了越來越多的關注。五年前，一個中國研究團隊報道了，如果把一層較薄的硒化鐵置於鈦酸鍶（STO）上，獲得超導的溫度就會比絕對零度高8-60攝氏度。儘管這一溫度仍然很低，但是在超導領域這已經是很大的進步。並且，這類研究有助於增大室溫超導實現的可能性。

　　沈志勛是 SLAC 和斯坦福大學的教授，同時也是斯坦福材料和能源科學研究所的研究員,。他表示，「我們曾經認為超導的上限溫度是30-40K，而更高溫度的超導則是不可能的，這一觀點在現在看來是錯誤的。所以說，儘管室溫超導的實現是非常困難的，但是我們沒有理由認為這就是不可能實現的。」

　　

　　圖丨沈志勛教授（左）與角分辨光電子能譜儀器

　　當硒化鐵材料在科研界嶄露頭角時，沈志勛團隊就開始利用包括角分辨光電子能譜在內的一系列SLAC研究設施來研究該材料。

　　早在2014年發表於《自然》期刊上的一篇文章中，沈志勛團隊提出了硒化鐵實現超導的原理，即鈦酸鍶中的原子振動會傳遞到硒化鐵中，為需要配對的電子提供額外的能量，並在較高溫度下零損耗情況下產生電流。這表明，襯底材料可能有助於在較高溫度下獲得超導屬性。

　　但是，沈志勛研究的是在沒有襯底的情況下，硒化鐵中原子振動和電子之間的耦合作用是否依然存在，進而為大部分相近的研究工作奠定理論基礎。

　　他們利用厚度稍大的硒化鐵，並保持其在原子水平上結構一致。在紅外激光加熱下，該材料的原子以每秒50億次的頻率振動。

　　他們利用X射線自由電子激光器觀察並測量這些振動，然後利用角分辨光電子能譜來成像電子運動。

　　

　　圖丨紅外線（橙色光束）使原子振動，X射線（白色光束）則提高其運動頻率

　　由此，科學家還不能完全證明了高溫超導與聲子和電子之間的強烈耦合作用有直接的關係，但利用這兩種測試技術卻有助於找到高溫超導的真正答案。

　　沈志勛解釋，高溫超導的實現有幾種可能性，比如電子-電子之間的相互作用、電子-聲子之間的相互作用以及二者的結合作用。

　　「該實驗表明，過去的電子-聲子作用理論不能簡單地解釋超導現象，但我們不能就此放棄聲子理論。」沈志勛說到，「所有的可能性都應被考慮在內，我們應該在一個更全面的立場上看問題。」

　　硒化鐵為我們指明了高溫超導的新方向，也暗示了更廣闊的研究前景。

　　原子和電子都是超導現象的參與者；過去，我們常把這些參與者作為獨立個體去研究，而他們的研究工作則闡釋了各參與者之間的相互作用可能比獨立作用更加強有力。這告訴我們，或許更多材料具有這些有趣的極限屬性。