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中德聯(lián)手揭開超導(dǎo)材料神秘面紗
文章來源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 更新時(shí)間：2023-11-29 15:17:06
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兩種材料的單晶，其最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別為97K（左）和128K（右）。研究團(tuán)隊(duì)供圖 ■本報(bào)記者 甘曉 “高溫超導(dǎo)材料”能夠在較高溫度下實(shí)現(xiàn)零電阻，在核磁診斷、電力運(yùn)輸、量子計(jì)算等方面應(yīng)用前景廣泛，是全球科學(xué)家夢(mèng)寐以求的“未來之星”。 自2019年起，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心副教授李源、助理教授彭瑩瑩與德國(guó)馬克斯·普朗克固體研究所（以下簡(jiǎn)稱馬普所）教授本納德·凱默、德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院教授馬修·勒塔康合作，圍繞銅氧化物超導(dǎo)溫度與磁性能量尺度間的關(guān)聯(lián)開展深入研究。 這項(xiàng)研究從2020年起得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委）與德國(guó)研究聯(lián)合會(huì)合作研究項(xiàng)目“模型高溫超導(dǎo)材料中電子態(tài)特性的晶格調(diào)控”（以下簡(jiǎn)稱項(xiàng)目）的大力支持。研究成果為揭開超導(dǎo)材料神秘面紗——理解高溫超導(dǎo)的機(jī)制提供了重要線索。 天時(shí)地利，一切都是“剛剛好” “中國(guó)科學(xué)家在超導(dǎo)材料及其機(jī)理的研究方面水平很高，期待我們的合作能夠取得新進(jìn)展。”馬修·勒塔康計(jì)劃近期到中國(guó)訪問北京大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，深入推進(jìn)相關(guān)合作，繼續(xù)探索銅氧化物的超導(dǎo)之謎。 作為高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的世界知名專家，馬修·勒塔康曾與本納德·凱默一起，在高溫超導(dǎo)材料中的磁性相互作用研究方面作出重要貢獻(xiàn)。 自2019年起，他們與李源開展科研合作，圍繞銅氧化物超導(dǎo)材料的磁性相互作用開展研究。“這是一項(xiàng)天時(shí)地利兼具的合作研究，一切都是‘剛剛好’。”李源向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示。 這項(xiàng)研究所需要的實(shí)驗(yàn)材料是一系列特殊銅氧化物的“單晶”。單晶由化合物結(jié)晶而成，其內(nèi)部的原子在三維空間規(guī)律排列，是從微觀層面研究超導(dǎo)性質(zhì)的最佳對(duì)象。但是，這些單晶的獲得條件苛刻，需要科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室對(duì)合成工藝進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間優(yōu)化。 李源等研究人員歷時(shí)10多年，終于“集齊”了此次研究用到的兩種銅氧化物單晶。2019年，李源在成功生長(zhǎng)出第二種單晶后，與在馬普所工作時(shí)的前同事馬修·勒塔康討論如何通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量這些材料的磁性相互作用強(qiáng)度。恰巧那時(shí)，英國(guó)“鉆石”光源的最新一代譜儀的能量分辨率達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。中德科學(xué)家為此感到振奮，開始為測(cè)量實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。 2020年，自然科學(xué)基金委發(fā)布了與德國(guó)研究聯(lián)合會(huì)合作研究的項(xiàng)目指南。“德國(guó)科學(xué)家在物態(tài)調(diào)控和測(cè)量實(shí)驗(yàn)上經(jīng)驗(yàn)豐富，中國(guó)科學(xué)家則‘生長(zhǎng)’出了完美單晶，各方面條件都在這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上齊聚，自然而然就想到了申請(qǐng)項(xiàng)目。”李源表示。 項(xiàng)目申請(qǐng)期間，新冠疫情形勢(shì)嚴(yán)峻，中德兩國(guó)科學(xué)家克服了實(shí)驗(yàn)室封閉等困難，齊心協(xié)力撰寫申請(qǐng)書并籌備實(shí)驗(yàn)。 不久后，項(xiàng)目獲批的好消息傳來，兩位德國(guó)科學(xué)家都為獲得中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助感到自豪。在馬修·勒塔康看來，國(guó)家自然科學(xué)基金是中國(guó)資助基礎(chǔ)研究的主渠道，其資助的項(xiàng)目是中國(guó)科研最高水平的權(quán)威體現(xiàn)。 挑戰(zhàn)超導(dǎo)難題 中德科學(xué)家的目標(biāo)是破解超導(dǎo)材料中一道久未攻克的難題。 超導(dǎo)是一種奇妙的現(xiàn)象。材料在超導(dǎo)態(tài)下會(huì)完全失去電阻，電子得以無損耗地流動(dòng)。理解超導(dǎo)本質(zhì)，是全球科學(xué)家共同面對(duì)的挑戰(zhàn)。其中，電子形成的“庫(kù)珀對(duì)”是對(duì)超導(dǎo)本質(zhì)的一個(gè)重要解釋。在極低溫度下，電子以某種方式“手拉手”形成“庫(kù)珀對(duì)”，它們能夠在微觀世界的原子森林里所向披靡、暢通無阻。 “科學(xué)家通過多年探索已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電子‘庫(kù)珀對(duì)’的形成可能和磁性相互作用相關(guān)。”李源向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，“我們的研究正是對(duì)這一認(rèn)識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。” 科學(xué)家通常用“磁振子”的頻率高低來描述固體材料中的磁性相互作用強(qiáng)度。可以想象在一張棋盤上規(guī)則地?cái)[滿小磁針，當(dāng)有人用手碰到其中一枚磁針，棋盤上所有的磁針都會(huì)集體擺動(dòng)起來，擺動(dòng)產(chǎn)生的能量擾動(dòng)就可以比作磁振子。事實(shí)上，這種集體擺動(dòng)現(xiàn)象即使在小磁針并未形成長(zhǎng)程有序排列的情況下也可以出現(xiàn)，此時(shí)的磁振子被稱為“順磁振子”。 作為晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)稱性高的材料，李源主要研究的兩種銅氧化物一直都是科學(xué)家眼中研究高溫超導(dǎo)機(jī)制的理想材料。二者屬于同一個(gè)家族，結(jié)構(gòu)非常相似，差別只是在于中間是否多加了一層。然而，二者的超導(dǎo)溫度卻存在較大差異：一種為97開爾文（K），另一種為128K，兩者相差約31K，大約為30%。為什么如此微小的結(jié)構(gòu)差別，能導(dǎo)致超導(dǎo)臨界溫度上升30%？在項(xiàng)目支持下，中德科學(xué)家圍繞這個(gè)科學(xué)問題展開研究。 他們的探索著眼于“順磁振子”。借助英國(guó)“鉆石”光源，科學(xué)家主要利用“共振非彈性X射線散射”實(shí)驗(yàn)方法，輔以北京大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的“拉曼散射”方法，直接對(duì)材料中的磁性相互作用強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量。 據(jù)了解，利用英國(guó)“鉆石”光源開展的實(shí)驗(yàn)為期6天。李源課題組實(shí)驗(yàn)成員與彭瑩瑩等前往實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，與“鉆石”光源的周克瑾等譜儀科學(xué)家一起對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化，最終獲得了清晰的測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種銅氧化物的“順磁振子”能量相差20%～30%，這恰好與兩種材料超導(dǎo)溫度之間的差異一致。匯總更多銅氧化物材料家族的數(shù)據(jù)后，合作團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了各個(gè)體系的最高超導(dǎo)溫度與順磁振子能量之間具有近似正比的關(guān)系。 相關(guān)研究成果2022年6月發(fā)表于《自然-通訊》。論文發(fā)表后引起了國(guó)際同行的關(guān)注。美國(guó)物理學(xué)會(huì)旗下期刊《今日物理》在一篇高溫超導(dǎo)機(jī)制研究的科普?qǐng)?bào)道中，專門提到了這項(xiàng)研究。在業(yè)內(nèi)專家看來，這一結(jié)果對(duì)從定量上確認(rèn)可能由磁性導(dǎo)致的電子超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制具有重要意義。 批判性“碰撞” 在項(xiàng)目國(guó)際合作中，李源感受最深的是雙方邊推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，邊互相“批判”的工作模式。 “合作期間，雙方主要是通過電子郵件和定期會(huì)議進(jìn)行交流，更多的時(shí)候是大家碰一次、完整交流一次后，就各自悶頭干一段時(shí)間。”李源表示，“這樣大家會(huì)有更多的時(shí)間和精力深入形成原創(chuàng)想法，避免信息交換過于頻繁而導(dǎo)致的同質(zhì)化。” 工作一段時(shí)間后的完整交流中，雙方往往以提出不同看法的“批判”為主題。例如，上述實(shí)驗(yàn)工作在論文寫作階段，中國(guó)科學(xué)家在行文用詞和下結(jié)論方面比較“大膽”，德國(guó)科學(xué)家則認(rèn)為需要更加謹(jǐn)慎，雙方為此進(jìn)行了多個(gè)回合的切磋討論，最終才形成投稿的論文。這種工作方式使雙方更加接近真相，提高了科學(xué)結(jié)論的準(zhǔn)確性和可靠性。 一批超導(dǎo)領(lǐng)域科研新星在項(xiàng)目支持下成長(zhǎng)起來。中國(guó)方面，作為上述論文共同第一作者之一，王立晨在李源課題組攻讀博士期間成功生長(zhǎng)出其中一種銅氧化物的大尺寸單晶。2019年博士畢業(yè)后的他前往馬普所從事博士后研究，并入選“洪堡學(xué)者”人才計(jì)劃。課題組內(nèi)接替王立晨工作的博士生、論文共同第一作者何冠宏與王立晨一起參與了英國(guó)的實(shí)驗(yàn)，并在北京大學(xué)完成了一系列拉曼光譜的測(cè)量。在該論文發(fā)表后，受國(guó)家“博新計(jì)劃”資助的博士后洪文山大幅改進(jìn)了晶體生長(zhǎng)工藝，成功生長(zhǎng)出了同一材料家族中超導(dǎo)溫度更高的下一個(gè)化合物的單晶，并已攜帶樣品多次前往英國(guó)開展實(shí)驗(yàn)。 德國(guó)方面，馬修·勒塔康課題組的成員葉麥今年來到李源課題組訪問交流，推進(jìn)雙方進(jìn)一步工作。 他們深感國(guó)際合作不僅提升了自身科研水平，也拓寬了學(xué)術(shù)視野，建立起人脈網(wǎng)絡(luò)，為未來的職業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 面向未來，雙方將繼續(xù)深入開展銅氧化物超導(dǎo)機(jī)制方面的研究。李源期待，在雙方持續(xù)合作下，能夠開展更加“硬核”的實(shí)驗(yàn)，獲得更加扎實(shí)的結(jié)論。 “我正是為此而來！”對(duì)于中國(guó)之行，馬修·勒塔康表示。目前，合作團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，排除在更換化合物時(shí)可能引入的其他影響因素，力爭(zhēng)在同一片晶體中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)溫度和磁性相互作用的可控變化并驗(yàn)證兩者之間的定量關(guān)系。其中一個(gè)技術(shù)方案是用外力讓晶體發(fā)生彈性形變，這正是馬修·勒塔康研究團(tuán)隊(duì)所擅長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2023-11-27 第4版 自然科學(xué)基金)
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