記者 韓揚眉

1986年，德國科學(xué)家貝特諾茨和美國科學(xué)家繆勒發(fā)現(xiàn)，銅氧化物陶瓷材料在較高溫度下出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。這被認為是科學(xué)發(fā)展的重大突破，他們也因此獲得1987年的諾貝爾物理學(xué)獎。

“高溫超導(dǎo)”為什么會出現(xiàn)，背后的機理是什么？近30余年，世界各地的科學(xué)家都在努力尋找答案，超導(dǎo)性的確切機制仍然難以破解。

中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱物理所）研究員金魁團隊與合作者組成的國際團隊歷時7年進行系統(tǒng)實驗，利用材料基因工程“連續(xù)組分外延薄膜與匹配的跨尺度表征技術(shù)”獲得了奇異金屬散射（線性電阻斜率A1）與高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）之間的普適物理規(guī)律（A10.5~Tc）。相關(guān)成果近日發(fā)表于《自然》。

從“奇異金屬”中尋找答案

超導(dǎo)自誕生至今已有110年的研究歷史。早期的超導(dǎo)研究集中在傳統(tǒng)金屬及合金，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度通常較低（<30K）。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上，超導(dǎo)體處于正常態(tài)，跟普通金屬性質(zhì)相似。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度即“臨界溫度”，物質(zhì)在進入超導(dǎo)狀態(tài)的溫度時，電阻率為0，具有完全抗磁性。

1957年，科學(xué)家構(gòu)建了以聲子為媒介的電子配對（庫伯對）圖像，首次建立了超導(dǎo)微觀理論，成功解釋了傳統(tǒng)金屬及合金中的超導(dǎo)電性。

1986年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)家族高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。隨后，科學(xué)家不斷在“更高溫”的狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在常壓下最高達到了135K，且已有的實驗結(jié)果證實高溫超導(dǎo)體中同樣存在電子配對。

“高溫超導(dǎo)機理經(jīng)過30多年研究仍未達成共識，成為凝聚態(tài)物理研究中的跨世紀難題。究其原因，高溫超導(dǎo)體系的復(fù)雜性使得研究者對決定其轉(zhuǎn)變溫度的重要物理量實驗認識仍然不足，尚不能啟發(fā)理論突破。”論文通訊作者金魁告訴《中國科學(xué)報》。

隨著研究不斷深入，越來越多的證據(jù)表明，高溫超導(dǎo)機理的奧秘可能存在于產(chǎn)生超導(dǎo)的正常態(tài)當(dāng)中。

金魁解釋說，對銅氧化物超導(dǎo)體來說，當(dāng)溫度升至超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以上，其電阻率與溫度呈線性關(guān)系，這也被稱為“奇異金屬”行為，是高溫超導(dǎo)體正常態(tài)中最“不正常”的特性。而“奇異金屬”行為的機理起源同樣未知，已有實驗結(jié)果表明，奇異金屬與高溫超導(dǎo)相輔相成。

“這表明高溫超導(dǎo)和奇異金屬這兩個看似無關(guān)的物理效應(yīng)密切相關(guān)，這為我們解開高溫超導(dǎo)機制的謎團提供了一條重要線索。”論文作者之一、中國科學(xué)院院士、物理所研究員向濤說。

從“量變”到“質(zhì)變”

要找到量化聯(lián)系，先得找到二者之間的“定性”關(guān)聯(lián)。

2008年，金魁前往美國馬里蘭大學(xué)作博士后。他遇到了兩位導(dǎo)師，分別是材料工程和高溫超導(dǎo)研究的國際頂尖學(xué)者。他將材料工程和高溫超導(dǎo)研究融合，希望能從一類關(guān)鍵高溫超導(dǎo)體系La2-xCexCuO4（LCCO）中找到答案。LCCO是唯一覆蓋全超導(dǎo)摻雜區(qū)的電子型高溫超導(dǎo)體系，但只能以單晶薄膜的形式穩(wěn)定存在。

經(jīng)過3年努力，2011年，金魁獲得了系列高質(zhì)量單組分LCCO超導(dǎo)單晶薄膜，并與合作者首次獲得完整的電子摻雜銅氧化物過摻雜區(qū)域相圖。這一成果在《自然》上發(fā)表。

這張“相圖”幫助金魁發(fā)現(xiàn)了奇異金屬散射率A1與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc的關(guān)系是“正相關(guān)”，這暗示著奇異金屬態(tài)與高溫超導(dǎo)存在某種內(nèi)在聯(lián)系。然而，受組分控制精度需要達到約百分之一的限制，使用傳統(tǒng)的單點研究模式難以得到足夠數(shù)量的高精度數(shù)據(jù)，難以獲取二者之間的定量化規(guī)律。

2012年是金魁做博士后的最后一年，他想回國后繼續(xù)發(fā)展新一代高效率材料基因技術(shù)，并融入高溫超導(dǎo)之中，以此研究定量化規(guī)律。他把這個想法告知導(dǎo)師們，導(dǎo)師們搖搖頭，覺得“非常難”。

然而，回到物理所超導(dǎo)國家重點實驗室的金魁還是決定“拼一把”。他帶領(lǐng)團隊針對高溫超導(dǎo)材料特點，發(fā)展了高通量制備與跨尺度快速表征技術(shù)。2017年，他們首次利用組合激光分子束外延技術(shù)，在1平方厘米單晶襯底上成功制備出具有連續(xù)化學(xué)組分梯度的單一取向LCCO高通量薄膜。

在此基礎(chǔ)上，團隊結(jié)合研發(fā)的從毫米到微米的跨尺度結(jié)構(gòu)和輸運表征技術(shù)，將物性分辨率提升兩個數(shù)量級（至萬分之一），從而精確確定了量子臨界組分xc。通過國際合作，他們在美國勞倫斯·伯克利國家實驗室同步輻射光源完成微米量級的 X 射線結(jié)構(gòu)分析。

傳統(tǒng)實驗方法花3年時間只有個別數(shù)據(jù)點。而基于新一代全流程高通量實驗，團隊成功在數(shù)月時間積累足夠數(shù)量的可靠數(shù)據(jù)，并首次觀察到了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc、相對摻雜組分（x-xc）與奇異金屬散射率 A1三者之間的定量化規(guī)律 Tc ~ （x-xc）0.5~ A10.5。

論文共同通訊作者、美國馬里蘭大學(xué)教授Ichiro Takeuchi說：“我們能夠證明，人們可以控制并連續(xù)跟蹤化合物的組成，而這種材料中成分的高精度控制從未被證明過。”

材料基因技術(shù)在高溫超導(dǎo)研究中究竟有怎樣的優(yōu)勢？金魁表示，材料的高通量制備與表征技術(shù)，可以在相圖空間實現(xiàn)參量的線掃描甚至面掃描，可快速建立可靠的高溫超導(dǎo)高維相圖和高溫超導(dǎo)關(guān)鍵參量數(shù)據(jù)庫，并從中提取重要的統(tǒng)計物理規(guī)律，實現(xiàn)從“量變”到“質(zhì)變”的突破。

開辟研究范式

更重要的是，從LCCO中獲得的Tc ~ A10.5規(guī)律可推廣至空穴型銅氧化物、鐵基超導(dǎo)體、有機超導(dǎo)體等非常規(guī)超導(dǎo)體系，具有普適性。這也表明了奇異金屬態(tài)與非常規(guī)超導(dǎo)態(tài)有共同的驅(qū)動因素。

金魁表示，推進材料基因計劃與超導(dǎo)研究的深度交叉融合，開創(chuàng)了獨具特色的高通量超導(dǎo)研究范式，將在構(gòu)建高維精確相圖、突破高溫超導(dǎo)機理、推進超導(dǎo)材料實用化等方面發(fā)揮不可替代的作用。

兩名國際審稿人高度評價該研究，“連續(xù)組分外延薄膜與匹配的跨尺度表征技術(shù)”加速高溫超導(dǎo)定量化物理規(guī)律探索的新型研究范式是“tour de force”（絕技）。

研究也得到了理論的解釋和支持。理論物理學(xué)家、物理所研究員胡江平是論文共同通訊作者。他表示，“發(fā)現(xiàn)的標(biāo)度關(guān)系將超導(dǎo)配對強度與載流子的擴散過程聯(lián)系起來，這是所有理論推理或模型中的一個特殊目標(biāo)，即使我們還不清楚是否可以從之前提出的理論模型和配對機制（如反鐵磁自旋漲落）中獲得這種關(guān)系。”

“在銅氧化物超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)30多年后，仍然缺乏確切證據(jù)來解釋其背后的機制。精確的定量標(biāo)度規(guī)律值得特別關(guān)注。”論文作者之一、中國科學(xué)院院士趙忠賢說。

銅氧化物超導(dǎo)體中還有很多謎團。研究團隊將繼續(xù)使用組合方法進行系統(tǒng)追蹤，探索產(chǎn)生高溫超導(dǎo)電性的其他關(guān)鍵因素。

相關(guān)論文信息：

http://doi.org/10.1038/s41586-021-04305-5

《中國科學(xué)報》 (2022-02-25 第1版 要聞)