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材料基因解密高温超导机理

2022-02-25 00:00     来源:中国科学报     激光分子束 核技术

1986年,德国科学家贝特诺茨和美国科学家缪勒发现,铜氧化物陶瓷材料在较高温度下出现了超导现象。这被认为是科学发展的重大突破,他们也因此获得1987年的诺贝尔物理学奖。

“高温超导”为什么会出现,背后的机理是什么?近30余年,世界各地的科学家都在努力寻找答案,超导性的确切机制仍然难以破解。

中国科学院物理研究所(以下简称物理所)研究员金魁团队与合作者组成的国际团队历时7年进行系统实验,利用材料基因工程“连续组分外延薄膜与匹配的跨尺度表征技术”获得了奇异金属散射(线性电阻斜率A1)与高温超导转变温度(Tc)之间的普适物理规律(A10.5~Tc)。相关成果近日发表于《自然》。

从“奇异金属”中寻找答案

超导自诞生至今已有110年的研究历史。早期的超导研究集中在传统金属及合金,其超导转变温度通常较低(<30K)。在超导转变温度之上,超导体处于正常态,跟普通金属性质相似。超导转变温度即“临界温度”,物质在进入超导状态的温度时,电阻率为0,具有完全抗磁性。

1957年,科学家构建了以声子为媒介的电子配对(库伯对)图像,首次建立了超导微观理论,成功解释了传统金属及合金中的超导电性。

1986年,科学家发现铜氧化物超导家族高温超导现象。随后,科学家不断在“更高温”的状态下发现超导现象,其超导转变温度在常压下最高达到了135K,且已有的实验结果证实高温超导体中同样存在电子配对。

“高温超导机理经过30多年研究仍未达成共识,成为凝聚态物理研究中的跨世纪难题。究其原因,高温超导体系的复杂性使得研究者对决定其转变温度的重要物理量实验认识仍然不足,尚不能启发理论突破。”论文通讯作者金魁告诉《中国科学报》。

随着研究不断深入,越来越多的证据表明,高温超导机理的奥秘可能存在于产生超导的正常态当中。

金魁解释说,对铜氧化物超导体来说,当温度升至超导转变温度以上,其电阻率与温度呈线性关系,这也被称为“奇异金属”行为,是高温超导体正常态中最“不正常”的特性。而“奇异金属”行为的机理起源同样未知,已有实验结果表明,奇异金属与高温超导相辅相成。

“这表明高温超导和奇异金属这两个看似无关的物理效应密切相关,这为我们解开高温超导机制的谜团提供了一条重要线索。”论文作者之一、中国科学院院士、物理所研究员向涛说。

从“量变”到“质变”

要找到量化联系,先得找到二者之间的“定性”关联。

2008年,金魁前往美国马里兰大学作博士后。他遇到了两位导师,分别是材料工程和高温超导研究的国际顶尖学者。他将材料工程和高温超导研究融合,希望能从一类关键高温超导体系La2-xCexCuO4(LCCO)中找到答案。LCCO是唯一覆盖全超导掺杂区的电子型高温超导体系,但只能以单晶薄膜的形式稳定存在。

经过3年努力,2011年,金魁获得了系列高质量单组分LCCO超导单晶薄膜,并与合作者首次获得完整的电子掺杂铜氧化物过掺杂区域相图。这一成果在《自然》上发表。

这张“相图”帮助金魁发现了奇异金属散射率A1与超导转变温度Tc的关系是“正相关”,这暗示着奇异金属态与高温超导存在某种内在联系。然而,受组分控制精度需要达到约百分之一的限制,使用传统的单点研究模式难以得到足够数量的高精度数据,难以获取二者之间的定量化规律。

2012年是金魁做博士后的最后一年,他想回国后继续发展新一代高效率材料基因技术,并融入高温超导之中,以此研究定量化规律。他把这个想法告知导师们,导师们摇摇头,觉得“非常难”。

然而,回到物理所超导国家重点实验室的金魁还是决定“拼一把”。他带领团队针对高温超导材料特点,发展了高通量制备与跨尺度快速表征技术。2017年,他们首次利用组合激光分子束外延技术,在1平方厘米单晶衬底上成功制备出具有连续化学组分梯度的单一取向LCCO高通量薄膜。

在此基础上,团队结合研发的从毫米到微米的跨尺度结构和输运表征技术,将物性分辨率提升两个数量级(至万分之一),从而精确确定了量子临界组分xc。通过国际合作,他们在美国劳伦斯·伯克利国家实验室同步辐射光源完成微米量级的 X 射线结构分析。

传统实验方法花3年时间只有个别数据点。而基于新一代全流程高通量实验,团队成功在数月时间积累足够数量的可靠数据,并首次观察到了超导转变温度Tc、相对掺杂组分(x-xc)与奇异金属散射率 A1三者之间的定量化规律 Tc ~ (x-xc)0.5~ A10.5。

论文共同通讯作者、美国马里兰大学教授Ichiro Takeuchi说:“我们能够证明,人们可以控制并连续跟踪化合物的组成,而这种材料中成分的高精度控制从未被证明过。”

材料基因技术在高温超导研究中究竟有怎样的优势?金魁表示,材料的高通量制备与表征技术,可以在相图空间实现参量的线扫描甚至面扫描,可快速建立可靠的高温超导高维相图和高温超导关键参量数据库,并从中提取重要的统计物理规律,实现从“量变”到“质变”的突破。

开辟研究范式

更重要的是,从LCCO中获得的Tc ~ A10.5规律可推广至空穴型铜氧化物、铁基超导体、有机超导体等非常规超导体系,具有普适性。这也表明了奇异金属态与非常规超导态有共同的驱动因素。

金魁表示,推进材料基因计划与超导研究的深度交叉融合,开创了独具特色的高通量超导研究范式,将在构建高维精确相图、突破高温超导机理、推进超导材料实用化等方面发挥不可替代的作用。

两名国际审稿人高度评价该研究,“连续组分外延薄膜与匹配的跨尺度表征技术”加速高温超导定量化物理规律探索的新型研究范式是“tour de force”(绝技)。

研究也得到了理论的解释和支持。理论物理学家、物理所研究员胡江平是论文共同通讯作者。他表示,“发现的标度关系将超导配对强度与载流子的扩散过程联系起来,这是所有理论推理或模型中的一个特殊目标,即使我们还不清楚是否可以从之前提出的理论模型和配对机制(如反铁磁自旋涨落)中获得这种关系。”

“在铜氧化物超导体发现30多年后,仍然缺乏确切证据来解释其背后的机制。精确的定量标度规律值得特别关注。”论文作者之一、中国科学院院士赵忠贤说。

铜氧化物超导体中还有很多谜团。研究团队将继续使用组合方法进行系统追踪,探索产生高温超导电性的其他关键因素。

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