科学家阐明铜氧化物混合物高温超导能力的机理

左起顺时针：布鲁克海文实验室物理学家伊万·波佐维克（Ivan Bozovic）、安东尼·伯灵格（Anthony Bollinger）、吴杰（音译，Jie Wu）、博士后何夕（音译，Xi He）在分子束外延设备周围。他们用该仪器生成了2500份镧-锶-铜-氧混合物样本，以期弄清为什么该材料能具有高温超导特性。

传统超导材料需要被冷却至接近绝对零度才能体现超导特性。然而，1986年，科学家发现，一种被称为铜酸盐的铜氧化物混合物能够在比绝对零度高得多的温度下就呈现出超导特性。若能解释该物质的高温超导机理，则有望制造出在室温下呈超导状态的物质。常温超导可以用于制造无损耗供电系统、更经济的磁悬浮列车和计算能力更强的超级计算机，在世界范围内掀起能源领域的技术革命。

近日，美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家提出了一种铜氧化物复合物高温超导现象的理论解释。在制造和分析了数千份镧-锶-铜-氧（LSCO ）混合物样本之后，他们发现该材料的超导临界温度取决于该材料单位体积中电子对的浓度。

相关论文于8月17日发布在《自然》杂志上。该研究成果挑战了目前的主流超导理论——该理论主张材料的超导临界温度取决于电子对的相互作用强度，而不是电子对密度。

研究团队带头人，布鲁克海文实验室致密物质和材料科学部高级物理学家伊万·波佐维克称，揭开高温超导之谜是材料物理学界30年来努力的方向，而他们的工作不仅揭开了铜酸盐材料的高温超导机理之谜，还将建立新的超导物理理论。

铜酸盐超导材料的研究之所以如此艰难，是因为只包含高温超导态铜酸盐的样本才能用于研究，而制备这种高纯材料极其困难。构成铜酸盐的四种元素可以生成几百种晶体结构不同的混合物，但只有具有高温超导特性的那一种才有用处，其他种类都是杂质。

布鲁克海文实验室物理学家伊万·波佐维克解释铜氧化物复合物是如何体现高温超导特性的。

波佐维克团队用自行研发的分子束外延系统，通过一层一层地排列单个原子的方法（类似于原子尺度的3D打印），生产了2500份材料样品。他们在生产过程中，使用吸收谱仪和电子衍射显微技术，实时监视材料表面的结构、厚度、化学成分和晶体结构，以确保产品的质量。样品不能有结构瑕疵，也不能包含非高温超导态物质。

在材料构建过程中，波佐维克向其中掺入锶原子，它的作用是在铜氧化物层中提供自由电子对。最终，铜氧化物材料获得了超导特性。

波佐维克团队还研究了掺入锶原子的量对超导性能有什么影响。他们发现，锶原子浓度越高，电子对的浓度反而越低。科学家们认为，一种可能是材料中的瑕疵部分吸收了电子，当然也有其他可能。例如，材料几何微观结构的瑕疵——原子缺失或错位，都可能产出这种现象。

研究团队用互电感技术测量了铜氧化物材料的磁和电特性，以确定磁场所能穿透铜氧化物材料的厚度极限。该数据可以用来计算电子对密度。

他们的检测结果发现，电子对浓度和超导临界温度之间存在良好的线性关系。也就是说，当材料中没有自由电子对时，铜氧化物材料的超导临界温度应该是绝对零度。具体地，材料的瑕疵会阻碍自由电子对的移动，导致材料必须被冷却到更低的温度才能实现超导。自由电子对浓度越高，材料越能在较高温度实现超导。而主流超导理论认为，掺入的锶原子的数量才是决定临界温度的关键，而不是电子对浓度。

如果波佐维克团队的发现是正确的，那么铜氧化物材料的超导临界温度的确取决于电子浓度。之前的研究发现，其他超导材料中的电子对体积远大于铜氧化物材料中的电子对体积，因此它们很容易挤在一起。那么，为什么铜氧化物材料中的电子对体积这么小呢？这是实现高温超导征途上的下一个研究课题。

编辑：离子心

参考：Nature (2016). DOI: 10.1038/nature19061 

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