科学家们发现了奇异超导体超能力的惊人新线索

诸平

Fig. 1 Artist’s impression of a magnet levitating above a high-temperature superconductor cooled with liquid nitrogen. When a magnet is placed above a superconductor, the superconductor pushes away the magnetic field, causing the magnet to repel or float. (Credit: ktsdesign/Shutterstock)

Fig. 2 Image of doped CeCoIn₅ samples resting on copper ’puck’ sample holders. (Each puck is approximately the size of a silver dollar.) The Berkeley Lab-led team used spectroscopic techniques at the Advanced Light Source to image the CeCoIn₅ crystals’ superconductivity as a function of chemical composition. (Credit: Image courtesy of former Berkeley Lab researcher Daniel Eilbott)

Fig. 3 The High-Resolution Spectroscopy of Complex Materials (MERLIN) beamline - aka Beamline 4.0.3 - at the Advanced Light Source (ALS) where the Berkeley Lab-led team conducted the photoemission spectroscopy experiments to measure the electronic energy structure and superconductivity of doped CeCoIn5 samples. (Credit: Image courtesy of former Berkeley Lab researcher Daniel Eilbott)

据“我的科学（myscience.org）”网2022年3月24日报道，科学家们发现了奇异超导体超能力的惊人新线索（Scientists Uncover Surprising New Clues to Exotic Superconductors’ Superpowers），这是一项研究利用地球上最强大的磁铁之一来探测一种神秘金属的新模型。研究小组的科学家发现了非常规超导体的奇异行为的新线索——这些器件以零电阻有效地传输电流，其方式违背了我们以前对物理学的理解。上述图1（Fig. 1）是艺术家对悬浮在液氮冷却的高温超导体上方的磁体的印象。当将磁铁放在超导体上方时，超导体会推开磁场，导致磁铁排斥或漂浮。

美国伯克利实验室材料科学部（Berkeley Lab’s Materials Sciences Division）和加州大学伯克利分校的物理系（UC Berkeley’s Physics Department）的研究生研究者、此项研究的第一作者尼古拉·马克西莫维奇（Nikola Maksimovic）说：“希望我们的工作可能会导致对超导性的更好理解，这可以在下一代能量存储、超级计算和磁悬浮列车中找到应用。”

这项工作还可以通过在原子水平上调整化学成分来帮助研究人员设计更强大的超导材料。由美国劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）领导的团队与加州大学伯克利分校（UC Berkeley）合作报告了他们的发现。

铅或锡等传统超导材料在开尔文标度接近零或零下 523.4 F的温度下变成超导体。但是一些非常规的超导体，如铜酸盐（cuprates），一种含有铜和氧的陶瓷金属，在接近或高于 100 K（- 280 F）的相对高温下以某种方式变成为超导体。

几十年来，研究人员一直在努力理解超导铜酸盐是如何工作的，部分原因是铜酸盐很难在没有缺陷的情况下生长。更重要的是，它们强大的超导性很难关闭——就像一辆即使在空档时也能继续行驶的赛车。因此，科学家们需要一种工具来帮助他们了解超导性是如何在原子水平上从不同阶段演变而来的，以及哪些配方最有可能在现实世界中应用。

因此，对于当前的研究，由詹姆斯·安娜利特斯（James Analytis）领导的一个研究小组专注于一种由铈钴铟（CeCoIn₅）制成的材料，该材料可以模仿铜酸盐系统。詹姆斯·安娜利特斯是伯克利实验室材料科学部量子材料项目（Quantum Materials program in Berkeley Lab’s Materials Sciences Division）的一名科学家和联合研究者，该项目为这项工作提供了资金。他还是加州大学伯克利分校的物理学教授。图2（Fig.2）是由前伯克利实验室研究员丹尼尔·埃尔伯特（Daniel Eilbott）提供的放置在铜“圆盘”样品架上的掺杂CeCoIn₅样品的图像。每个圆盘的大小与一块银元相当。伯克利实验室领导的团队使用先进光源（Advanced Light Source）的光谱技术将 CeCoIn₅晶体的超导性成像为化学成分的函数。

对某些人来说，CeCoIn₅似乎不太可能成为研究超导铜酸盐的模型。毕竟，CeCoIn₅既不含铜也不含氧。但尽管存在差异，但铜酸盐和CeCoIn₅具有一些共同的关键特征：它们都是非常规的超导体，具有电子密度或类似于四叶草（four-leaf clover）的“空间对称”模式。这种空间对称性就像一张地图，突出显示了超导体的哪些部分最密集地分布着电子。

该团队还从其他研究中了解到，CeCoIn₅中的超导状态可以通过实验室目前可用的强大磁铁来打开和关闭，而调制铜酸盐所需的必要磁场远远超过了即使是最复杂的技术。

研究小组推断，关闭CeCoIn₅中的超导状态将使他们能够“深入了解”,并研究此材料的电子在正常的非超导状态下如何表现。由于铜酸盐和CeCoIn₅具有相似的电子密度模式，该团队推断，研究所有不同阶段的CeCoIn₅可以为铜酸盐超导能力的起源提供重要的新线索。

美国伯克利实验室材料科学部（Berkeley Lab’s Materials Sciences Division）和加州大学伯克利分校的物理系詹姆斯·安娜利特斯实验室（Analytis lab in UC Berkeley’s Physics Department）的研究生研究者、此项研究的第一作者尼古拉·马克西莫维奇（Nikola Maksimovic）说：“CeCoIn₅是一个非常有用的模型系统。它是一种非常规的超导体，在高磁场下的实验技术非常容易获得其特性，其中一些在铜酸盐中是不可能的。”

为了开始测试这种材料作为潜在的铜酸盐模型，研究人员在他们的材料科学部实验室培养了十几个CeCoIn₅单晶，然后在分子铸造厂的国家电子显微镜中心（Molecular Foundry ’s National Center for Electron Microscopy）用这些晶体制造了实验装置设施。

他们通过用镉（Cd）代替几个铟(In)原子将一些CeCoIn₅晶体调至磁性状态，并通过用锡(Sn)代替铟(In)将其它样品调至超导状态。

尼古拉·马克西莫维奇在洛斯·阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的国家高磁场实验室的脉冲场设施（National High Magnetic Field Laboratory’s Pulsed Field Facility）中使用高达75特斯拉（75 tesla）的磁场测量了这些材料的电子密度，这比地球磁场强约150万倍。

然后，由亚历山德拉·兰扎拉（Alessandra Lanzara）领导的团队，在伯克利实验室的高级光源（Berkeley Lab’s Advanced Light Source）中使用光谱技术，对CeCoIn₅晶体的电子能量结构和超导性作为化学成分的函数进行成像。亚历山德拉·兰扎拉是伯克利实验室材料科学部（Berkeley Lab’s Materials Sciences Division）量子材料项目（Quantum Materials program）的资深科学家和联合研究者，也是加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的物理学教授。

令他们惊讶的是，研究人员发现，在超导性最强的化学成分中，自由电子即一种不与原子永久结合的电子的数量从一个小值跳到一个大值，这表明该材料处于一个转变点。研究人员将这种转变归因于与铈（Ce）原子相关的电子的行为。图3（Fig.3）是由前伯克利实验室研究员丹尼尔·埃尔伯特提供的照片，复杂材料的高分辨率光谱 (High-Resolution Spectroscopy of Complex Materials, MERLIN) 光束线，又名光束线4.0.3(Beamline 4.0.3)-在高级光源 (Advanced Light Source 简称ALS) 上，伯克利实验室领导的团队进行了光电子能谱实验（photoemission spectroscopy experiments），以测量掺杂CeCoIn₅样品的电子能量结构和超导性。

 “只有少数材料怀疑会发生这种转变。我们有一些最明确的证据表明它确实发生了，这非常令人兴奋，”尼古拉·马克西莫维奇说。

在未来的研究中，研究人员计划研究CeCoIn₅的转变如何应用于其它非常规超导体，如铜酸盐。他们还计划研究CeCoIn₅的转变如何影响材料的其它物理特性，例如导热性。

来自佛罗里达（Florida）州塔拉哈西（Tallahassee）和新墨西哥州（New Mexico）洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）的国家高磁场实验室设施（National High Magnetic Field Laboratory facilities）的研究人员和来自瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University, Sweden）的研究人员参与了这项研究。

先进光源和分子铸造（Advanced Light Source and Molecular Foundry）是美国能源部科学办公室（DOE Office of Science）在伯克利实验室的用户设施。位于美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的国家高磁场实验室脉冲场设施（National High Magnetic Field Laboratory’s Pulsed Field Facility）由美国国家科学基金会资助的。戈登和贝蒂·摩尔基金会的 EpiQS倡议（Gordon and Betty Moore Foundation’s EPiQS Initiative）为此项研究提供了额外的资金。

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