Nature: 科学家揭秘高温超导的可能本源

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自1986年首次发现铜氧化物高温超导体以来，科学家们一直在研究为何这类材料能够在比传统超导体所需温度高出数百度的条件下依然存在零电阻等超导特性。了解这种奇异现象背后的秘密，能够为我们寻找实用化的室温超导材料奠定重要基础。

迈出这一步，人类从而可以大规模组建低损耗电网，建造更低成本的磁悬浮运输系统，打造强大的超级量子计算机，在全球范围内改变能源产生、传输以及使用的方式。如今，美国能源部的科学家为我们带来了铜氧化物为什么能够实现高温超导的最新可能答案。

布鲁克海汶实验室研究人员和分子束磊晶系统。顺时针方向分别为Ivan Bozovic, Anthony Bollinger, Jie Wu和博士后Xi He。

在制备并分析了数千份La-Sr-Cu-O (LSCO，代表其包含的四种元素：镧、锶、铜、氧) 薄膜样本后，科学家们认定超导临界温度和电子对密度 (单位体积内电子对的数量) 成简单的正比关系。这一发现已于8月17日发表在《Nature》，对公认的常规超导理论 (BCS理论) 发起了挑战。在常规超导材料中，人们通常认为超导临界温度由电子对相互作用强度所决定。

研究团队负责人，美国布鲁克海汶实验室物理学家Ivan Bozovic表示：“解决高温超导的谜题是30多年来凝聚态物理的重点。我们的实验发现为解释高温超导现象的原因提供了一个基础，这将引出一个全新的理论框架。”

Ivan Bozovic

他还说：“这是一个材料科学问题。铜氧化物在每个单元内能容纳50个原子，那些元素可以构成数百种各样的化合物，这可能会导致不同相的混合。”

这也是研究团队尝试了超过2500种LSCO的原因，他们使用一个可定制设计的分子束外延系统，将单个原子逐层生长在衬底上。该系统配备先进的表面物理实验测量装置，能够测量薄膜材料的吸收光谱和低能电子衍射等等。这能够提供薄膜的表面形态、厚度、化学成分和晶体结构的实时信息。

Bozovic介绍道：“监测这些属性可以保证我们样品的第二相没有任何异常晶体机构、缺陷或者析出物出现。”

在准备LSCO膜的时候，Bozovic以化学途径加入了锶原子，以引入足够多的载流子，从而在氧化铜层形成电子对，这也是超导发生的区域。引入这类“兴奋剂”是让LSCO和其他铜酸盐 (通常是绝缘材料) 具备超导能力的常用办法。

在Bozovic等人的研究中，他们加入了比引发超导所需更多量的锶原子，让系统进入过量掺杂状态。但是，以往这种过量加入“兴奋剂”的研究表明，随着掺杂浓度的升高，电子对密度会降低。科学家们曾解释为不同电子序和超导产生了竞争，或者晶格中的杂质和无序导致了电子对拆散。他们同样考虑了晶体缺陷，比如原子的转移或丢失可能发挥了作用。

为了检验这些推断，Bozovic团队系统测量了定制LSCO膜的电磁属性。他们采用了互感技术来测定磁场穿透深度 (磁场在超导体中传播的距离)，这反映了电子对的密度。

根据测量结果，他们建立了临界温度和电子对密度之间的精确线性关系。随着掺杂量增加，两者都会下降，直到完全没有电子对存在，而此时的临界温度也降低到接近绝对零度。根据对传统金属超导体的理解，这一结果是意料之外的，因为随着“兴奋剂”的增加，LSCO将变得更具金属性，更有可能接近传统金属超导体。

Bozovic说：“通过引入散射阻碍电子流动，从而引起的无序、相分离、或者电子对拆散将会带来相反的效果，也就是说材料的金属性降低，电阻增加。”

如果这项研究是正确的，即临界温度由电子对密度控制，那么传统超导理论即BCS理论将不再适用。下一步，研究团队将分析是什么作用力导致铜氧化物中的电子对行为如此特别，从而进一步揭开高温超导的谜题。

原文链接

http://m.phys.org/news/2016-08-scientists-uncover-high-temperature-superconductivity-copper-oxide.html

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本文由知社编译, 物理所罗会仟校对, 特别致谢

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