揭秘銅氧化物高溫超導現象之謎

材料牛注：20世紀八十年代以前，人們普遍認為只有在低溫下才能實現超導。1986年，人們發現銅氧化合物具有高溫超導現象，這是為什么呢？各國科學家對此做了長時間的探究。目前，美國能源部Brookhaven國家實驗室的物理學家已經成功解釋了銅氧化物具有高溫超導現象的原因。

常見的超導體往往只有在過冷溫度條件下才能實現超導，但1986年人們發現銅氧化物存在高溫超導現象。自此，科學家們一直致力于探究這些物質能夠在比過冷溫度高幾百攝氏度的環境中無阻導電的原因。若能探明這一不尋常現象背后的機理，將有利于工程材料在室溫下實現超導，由此可以實現無損電網、降低磁懸浮交通系統的成本、生產更強大的超級計算機，并改變全球能量產生、傳輸與使用的方式。

目前，美國能源部（the U.S. Department of Energy，DOE）Brookhaven國家實驗室的物理學家已經成功解釋了銅氧化物在高溫下具有超導行為的原因。經過對數千份銅氧化物樣本（鑭鍶鈷氧LSCO，含La、Sr、Cu、O四種元素）的制備和分析后，科學家發現“臨界”溫度其實是由電子對密度（每一單位面積電子對的數目）來決定的。這項研究8月17日發表于Nature雜志上，提出了臨界溫度取決于電子對相互作用程度的觀點，并顛覆了人們對傳統超導理論的認識。

“近30年來，揭露高溫超導之謎已經成為了凝聚態物理學的研究熱點。我們的實驗結果為解釋銅氧化物高溫超導本質奠定了基礎，但要真正解釋高溫超導的本質還需要建立一個全新的理論框架。”一位來自Brookhaven實驗室、從事凝聚態物理和材料學方向研究的資深物理學家Ivan Bozovic說道。

據Bozovic描述，銅氧化物的研究工作難以進行的一個關鍵原因，在于這項研究需要通過精密的操作制備只含有高溫超導相的、近乎完美的晶體樣本。

“這是材料學的問題。銅氧化物的晶胞內最多可含50個原子，且不同元素可能形成上百種不同的化合物，從而導致不同晶相混合。” Bozovic說道。

Bozovic以及他的研究團隊使用了一種能夠在基板上逐層生長單原子層的分子束外延手段，生長了2500個LSCO晶體樣品。此種方法擁有先進的表面科學手段，能夠實時觀察表面形貌、厚度、化學組成和所生成薄膜的晶體結構。

“我們會隨時檢測樣品的特征以防止形成不規則晶型、缺陷以及二次相。” Bozovic解釋道。

在制備LSCO薄膜時，Bozovic加入了Sr原子以產生移動電子來與Cu的氧化層配對，從而產生超導現象。這個“摻雜”過程使得本是一般絕緣材料的LSCO以及銅氧化物產生超導現象。

在這項工作中，為了實現超導，Bozovic摻入Sr的量超出了一般摻雜水平。早期相關的“過摻雜”研究表明，電子對密度隨著摻雜濃度的增加而減小。科學家們也曾試著去解釋這種神奇的實驗現象，并且認為這一現象可歸因于電子競相超導，或晶格中存在雜質和失配導致電子對運動受阻。

為了驗證這個解釋的正確性，Bozovic以及他的團隊已測過LSCO薄膜的電磁性質。他們通過互感手段確定了磁穿透深度（即磁場在超導體中傳輸的距離），從而獲得電子對密度的相關數據。

他們的測量結果精準的描述了臨界溫度和電子對密度的線性關系：當摻雜成分增加時二者都呈現減小趨勢，直到沒有任何電子對即當臨界溫度降至接近 0K（-459℉）時。根據人們對金屬和常規超導體的認識，這一結果出乎意料：隨著過摻雜程度升高，LSCO性質變得愈發似金屬。

“混亂程度、相分離或者電子對被打破可能會因為擴散阻礙電子流動而產生相反的效果，以致制得電阻更大、金屬性不明顯的材料。”Bozovic說道。

Bozovic的團隊認為，臨界溫度是由電子對密度決定的。如果這個觀點正確，那么小范圍的局域電子將對銅氧化物的高溫超導發揮重要作用。先前的實驗已經證實銅氧化物超導體中電子對的尺寸遠比其他常規超導體中的尺寸要小。弄明白什么使得銅氧化物中的電子對尺寸如此小，將是科學家們探索高溫超導奧秘下一步重點研究的內容。

原文鏈接：Scientists uncover origin of high-temperature superconductivity in copper-oxide compound。

文獻鏈接：Dependence of the critical temperature in overdoped copper oxides on superfluid density。

本文由編輯部丁菲菲提供素材，彭玉曼編譯，丁琬芝審核，點我加入材料人編輯部。