显微技术揭示高温超导机理，看看电子如何与振动的原子“起舞”

近日，SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家在高温超导领域又有了新发现。通过结合两种显微镜技术，他们观察了材料中电子和原子振动之间的相互作用，并发现这种耦合作用比之前报道的要强10倍。

这就意味着，我们可以在比以往预测的温度更高的条件下实现超导，进而实现一系列意义深远的应用，如更高效的输变电设施和更快的电子通信。

该研究发表在《Science》学术期刊上。据描述，科学家结合了X射线自由电子激光器在（X-ray free-electron laser）和角分辨光电子能谱（angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES）来为材料中的原子振动成像，并测量该振动如何影响该材料中的电子。

图丨红外激光束（橙色）如何引发硒化铁薄层中的原子振动  

SLAC 的直线性连续加速器光源（Linac Coherent Light Source, LCLS）中的 X 射线自由电子激光器为一种叫做声子的原子振动提供了测量数据，而角分辨光电子谱则用于测量材料中的电子的动量和能量。

至于本次研究采用的硒化铁近年在超导领域则得到了越来越多的关注。五年前，一个中国研究团队报道了，如果把一层较薄的硒化铁置于钛酸锶（STO）上，获得超导的温度就会比绝对零度高8-60摄氏度。尽管这一温度仍然很低，但是在超导领域这已经是很大的进步。并且，这类研究有助于增大室温超导实现的可能性。

沈志勋是 SLAC 和斯坦福大学的教授，同时也是斯坦福材料和能源科学研究所的研究员,。他表示，“我们曾经认为超导的上限温度是30-40K，而更高温度的超导则是不可能的，这一观点在现在看来是错误的。所以说，尽管室温超导的实现是非常困难的，但是我们没有理由认为这就是不可能实现的。”

图丨沈志勋教授（左）与角分辨光电子能谱仪器

当硒化铁材料在科研界崭露头角时，沈志勋团队就开始利用包括角分辨光电子能谱在内的一系列SLAC研究设施来研究该材料。

早在2014年发表于《自然》期刊上的一篇文章中，沈志勋团队提出了硒化铁实现超导的原理，即钛酸锶中的原子振动会传递到硒化铁中，为需要配对的电子提供额外的能量，并在较高温度下零损耗情况下产生电流。这表明，衬底材料可能有助于在较高温度下获得超导属性。

但是，沈志勋研究的是在没有衬底的情况下，硒化铁中原子振动和电子之间的耦合作用是否依然存在，进而为大部分相近的研究工作奠定理论基础。

他们利用厚度稍大的硒化铁，并保持其在原子水平上结构一致。在红外激光加热下，该材料的原子以每秒50亿次的频率振动。

他们利用X射线自由电子激光器观察并测量这些振动，然后利用角分辨光电子能谱来成像电子运动。

图丨红外线（橙色光束）使原子振动，X射线（白色光束）则提高其运动频率

由此，科学家还不能完全证明了高温超导与声子和电子之间的强烈耦合作用有直接的关系，但利用这两种测试技术却有助于找到高温超导的真正答案。

沈志勋解释，高温超导的实现有几种可能性，比如电子-电子之间的相互作用、电子-声子之间的相互作用以及二者的结合作用。

“该实验表明，过去的电子-声子作用理论不能简单地解释超导现象，但我们不能就此放弃声子理论。”沈志勋说到，“所有的可能性都应被考虑在内，我们应该在一个更全面的立场上看问题。”

硒化铁为我们指明了高温超导的新方向，也暗示了更广阔的研究前景。

原子和电子都是超导现象的参与者；过去，我们常把这些参与者作为独立个体去研究，而他们的研究工作则阐释了各参与者之间的相互作用可能比独立作用更加强有力。这告诉我们，或许更多材料具有这些有趣的极限属性。

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编辑：cyq

参考：

http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/tool-reveals-mechanism-behind-hightemperature-superconductivity

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