中德联手揭开超导材料神秘面纱

本文转自：中国科学报

两种材料的单晶，其最高超导转变温度分别为97K（左）和128K（右）。研究团队供图

■本报记者 甘晓

“高温超导材料”能够在较高温度下实现零电阻，在核磁诊断、电力运输、量子计算等方面应用前景广泛，是全球科学家梦寐以求的“未来之星”。

自2019年起，北京大学物理学院量子材料科学中心副教授李源、助理教授彭莹莹与德国马克斯·普朗克固体研究所（以下简称马普所）教授本纳德·凯默、德国卡尔斯鲁厄理工学院教授马修·勒塔康合作，围绕铜氧化物超导温度与磁性能量尺度间的关联开展深入研究。

这项研究从2020年起得到了国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）与德国研究联合会合作研究项目“模型高温超导材料中电子态特性的晶格调控”（以下简称项目）的大力支持。研究成果为揭开超导材料神秘面纱——理解高温超导的机制提供了重要线索。

天时地利，一切都是“刚刚好”

“中国科学家在超导材料及其机理的研究方面水平很高，期待我们的合作能够取得新进展。”马修·勒塔康计划近期到中国访问北京大学的实验室，深入推进相关合作，继续探索铜氧化物的超导之谜。

作为高温超导领域的世界知名专家，马修·勒塔康曾与本纳德·凯默一起，在高温超导材料中的磁性相互作用研究方面作出重要贡献。

自2019年起，他们与李源开展科研合作，围绕铜氧化物超导材料的磁性相互作用开展研究。“这是一项天时地利兼具的合作研究，一切都是‘刚刚好’。”李源向《中国科学报》表示。

这项研究所需要的实验材料是一系列特殊铜氧化物的“单晶”。单晶由化合物结晶而成，其内部的原子在三维空间规律排列，是从微观层面研究超导性质的最佳对象。但是，这些单晶的获得条件苛刻，需要科学家在实验室对合成工艺进行长时间优化。

李源等研究人员历时10多年，终于“集齐”了此次研究用到的两种铜氧化物单晶。2019年，李源在成功生长出第二种单晶后，与在马普所工作时的前同事马修·勒塔康讨论如何通过实验测量这些材料的磁性相互作用强度。恰巧那时，英国“钻石”光源的最新一代谱仪的能量分辨率达到了实验要求。中德科学家为此感到振奋，开始为测量实验做准备。

2020年，自然科学基金委发布了与德国研究联合会合作研究的项目指南。“德国科学家在物态调控和测量实验上经验丰富，中国科学家则‘生长’出了完美单晶，各方面条件都在这个时间节点上齐聚，自然而然就想到了申请项目。”李源表示。

项目申请期间，新冠疫情形势严峻，中德两国科学家克服了实验室封闭等困难，齐心协力撰写申请书并筹备实验。

不久后，项目获批的好消息传来，两位德国科学家都为获得中国国家自然科学基金项目的资助感到自豪。在马修·勒塔康看来，国家自然科学基金是中国资助基础研究的主渠道，其资助的项目是中国科研最高水平的权威体现。

挑战超导难题

中德科学家的目标是破解超导材料中一道久未攻克的难题。

超导是一种奇妙的现象。材料在超导态下会完全失去电阻，电子得以无损耗地流动。理解超导本质，是全球科学家共同面对的挑战。其中，电子形成的“库珀对”是对超导本质的一个重要解释。在极低温度下，电子以某种方式“手拉手”形成“库珀对”，它们能够在微观世界的原子森林里所向披靡、畅通无阻。

“科学家通过多年探索已经发现，电子‘库珀对’的形成可能和磁性相互作用相关。”李源向《中国科学报》介绍，“我们的研究正是对这一认识进行实验检验。”

科学家通常用“磁振子”的频率高低来描述固体材料中的磁性相互作用强度。可以想象在一张棋盘上规则地摆满小磁针，当有人用手碰到其中一枚磁针，棋盘上所有的磁针都会集体摆动起来，摆动产生的能量扰动就可以比作磁振子。事实上，这种集体摆动现象即使在小磁针并未形成长程有序排列的情况下也可以出现，此时的磁振子被称为“顺磁振子”。

作为晶体结构简单、对称性高的材料，李源主要研究的两种铜氧化物一直都是科学家眼中研究高温超导机制的理想材料。二者属于同一个家族，结构非常相似，差别只是在于中间是否多加了一层。然而，二者的超导温度却存在较大差异：一种为97开尔文（K），另一种为128K，两者相差约31K，大约为30%。为什么如此微小的结构差别，能导致超导临界温度上升30%？在项目支持下，中德科学家围绕这个科学问题展开研究。

他们的探索着眼于“顺磁振子”。借助英国“钻石”光源，科学家主要利用“共振非弹性X射线散射”实验方法，辅以北京大学实验室中的“拉曼散射”方法，直接对材料中的磁性相互作用强度进行了测量。

据了解，利用英国“钻石”光源开展的实验为期6天。李源课题组实验成员与彭莹莹等前往实验现场，与“钻石”光源的周克瑾等谱仪科学家一起对实验条件进行了反复调整和优化，最终获得了清晰的测量数据。实验结果表明，这两种铜氧化物的“顺磁振子”能量相差20%～30%，这恰好与两种材料超导温度之间的差异一致。汇总更多铜氧化物材料家族的数据后，合作团队进一步揭示了各个体系的最高超导温度与顺磁振子能量之间具有近似正比的关系。

相关研究成果2022年6月发表于《自然-通讯》。论文发表后引起了国际同行的关注。美国物理学会旗下期刊《今日物理》在一篇高温超导机制研究的科普报道中，专门提到了这项研究。在业内专家看来，这一结果对从定量上确认可能由磁性导致的电子超导配对机制具有重要意义。

批判性“碰撞”

在项目国际合作中，李源感受最深的是双方边推进实验，边互相“批判”的工作模式。

“合作期间，双方主要是通过电子邮件和定期会议进行交流，更多的时候是大家碰一次、完整交流一次后，就各自闷头干一段时间。”李源表示，“这样大家会有更多的时间和精力深入形成原创想法，避免信息交换过于频繁而导致的同质化。”

工作一段时间后的完整交流中，双方往往以提出不同看法的“批判”为主题。例如，上述实验工作在论文写作阶段，中国科学家在行文用词和下结论方面比较“大胆”，德国科学家则认为需要更加谨慎，双方为此进行了多个回合的切磋讨论，最终才形成投稿的论文。这种工作方式使双方更加接近真相，提高了科学结论的准确性和可靠性。

一批超导领域科研新星在项目支持下成长起来。中国方面，作为上述论文共同第一作者之一，王立晨在李源课题组攻读博士期间成功生长出其中一种铜氧化物的大尺寸单晶。2019年博士毕业后的他前往马普所从事博士后研究，并入选“洪堡学者”人才计划。课题组内接替王立晨工作的博士生、论文共同第一作者何冠宏与王立晨一起参与了英国的实验，并在北京大学完成了一系列拉曼光谱的测量。在该论文发表后，受国家“博新计划”资助的博士后洪文山大幅改进了晶体生长工艺，成功生长出了同一材料家族中超导温度更高的下一个化合物的单晶，并已携带样品多次前往英国开展实验。

德国方面，马修·勒塔康课题组的成员叶麦今年来到李源课题组访问交流，推进双方进一步工作。

他们深感国际合作不仅提升了自身科研水平，也拓宽了学术视野，建立起人脉网络，为未来的职业发展奠定了坚实基础。

面向未来，双方将继续深入开展铜氧化物超导机制方面的研究。李源期待，在双方持续合作下，能够开展更加“硬核”的实验，获得更加扎实的结论。

“我正是为此而来！”对于中国之行，马修·勒塔康表示。目前，合作团队计划进一步改进实验，排除在更换化合物时可能引入的其他影响因素，力争在同一片晶体中实现超导温度和磁性相互作用的可控变化并验证两者之间的定量关系。其中一个技术方案是用外力让晶体发生弹性形变，这正是马修·勒塔康研究团队所擅长的实验技术。