揭秘铜氧化物高温超导现象之谜

材料牛注：20世纪八十年代以前，人们普遍认为只有在低温下才能实现超导。1986年，人们发现铜氧化合物具有高温超导现象，这是为什么呢？各国科学家对此做了长时间的探究。目前，美国能源部Brookhaven国家实验室的物理学家已经成功解释了铜氧化物具有高温超导现象的原因。

常见的超导体往往只有在过冷温度条件下才能实现超导，但1986年人们发现铜氧化物存在高温超导现象。自此，科学家们一直致力于探究这些物质能够在比过冷温度高几百摄氏度的环境中无阻导电的原因。若能探明这一不寻常现象背后的机理，将有利于工程材料在室温下实现超导，由此可以实现无损电网、降低磁悬浮交通系统的成本、生产更强大的超级计算机，并改变全球能量产生、传输与使用的方式。

目前，美国能源部（the U.S. Department of Energy，DOE）Brookhaven国家实验室的物理学家已经成功解释了铜氧化物在高温下具有超导行为的原因。经过对数千份铜氧化物样本（镧锶钴氧LSCO，含La、Sr、Cu、O四种元素）的制备和分析后，科学家发现“临界”温度其实是由电子对密度（每一单位面积电子对的数目）来决定的。这项研究8月17日发表于Nature杂志上，提出了临界温度取决于电子对相互作用程度的观点，并颠覆了人们对传统超导理论的认识。

“近30年来，揭露高温超导之谜已经成为了凝聚态物理学的研究热点。我们的实验结果为解释铜氧化物高温超导本质奠定了基础，但要真正解释高温超导的本质还需要建立一个全新的理论框架。”一位来自Brookhaven实验室、从事凝聚态物理和材料学方向研究的资深物理学家Ivan Bozovic说道。

据Bozovic描述，铜氧化物的研究工作难以进行的一个关键原因，在于这项研究需要通过精密的操作制备只含有高温超导相的、近乎完美的晶体样本。

“这是材料学的问题。铜氧化物的晶胞内最多可含50个原子，且不同元素可能形成上百种不同的化合物，从而导致不同晶相混合。” Bozovic说道。

Bozovic以及他的研究团队使用了一种能够在基板上逐层生长单原子层的分子束外延手段，生长了2500个LSCO晶体样品。此种方法拥有先进的表面科学手段，能够实时观察表面形貌、厚度、化学组成和所生成薄膜的晶体结构。

“我们会随时检测样品的特征以防止形成不规则晶型、缺陷以及二次相。” Bozovic解释道。

在制备LSCO薄膜时，Bozovic加入了Sr原子以产生移动电子来与Cu的氧化层配对，从而产生超导现象。这个“掺杂”过程使得本是一般绝缘材料的LSCO以及铜氧化物产生超导现象。

在这项工作中，为了实现超导，Bozovic掺入Sr的量超出了一般掺杂水平。早期相关的“过掺杂”研究表明，电子对密度随着掺杂浓度的增加而减小。科学家们也曾试着去解释这种神奇的实验现象，并且认为这一现象可归因于电子竞相超导，或晶格中存在杂质和失配导致电子对运动受阻。

为了验证这个解释的正确性，Bozovic以及他的团队已测过LSCO薄膜的电磁性质。他们通过互感手段确定了磁穿透深度（即磁场在超导体中传输的距离），从而获得电子对密度的相关数据。

他们的测量结果精准的描述了临界温度和电子对密度的线性关系：当掺杂成分增加时二者都呈现减小趋势，直到没有任何电子对即当临界温度降至接近 0K（-459℉）时。根据人们对金属和常规超导体的认识，这一结果出乎意料：随着过掺杂程度升高，LSCO性质变得愈发似金属。

“混乱程度、相分离或者电子对被打破可能会因为扩散阻碍电子流动而产生相反的效果，以致制得电阻更大、金属性不明显的材料。”Bozovic说道。

Bozovic的团队认为，临界温度是由电子对密度决定的。如果这个观点正确，那么小范围的局域电子将对铜氧化物的高温超导发挥重要作用。先前的实验已经证实铜氧化物超导体中电子对的尺寸远比其他常规超导体中的尺寸要小。弄明白什么使得铜氧化物中的电子对尺寸如此小，将是科学家们探索高温超导奥秘下一步重点研究的内容。

原文链接：Scientists uncover origin of high-temperature superconductivity in copper-oxide compound。

文献链接：Dependence of the critical temperature in overdoped copper oxides on superfluid density。

本文由编辑部丁菲菲提供素材，彭玉曼编译，丁琬芝审核，点我加入材料人编辑部。