理解铜氧化物高温超导特性的关键线索:电子自旋! 2019-01-06

导读


近期,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室为揭示铜氧化物非凡的高温超导特性提供了一条线索。出人意料的是,答案却源自电子自旋。

背景

超导,是一种非常奇特的物理现象,也是上个世纪最伟大的科学发现之一。


什么是超导?


超导(superconductivity),全称为“超导电性”,是指某些物质在温度降低到某一临界温度(一般是极低的温度)之下,电阻降为零的特性。而具备超导特性的材料称为“超导体”或者“超导材料”。


1911年,荷兰物理学家H·卡茂林·昂内斯发现,汞在温度在4.2K(-268.98℃附近时,其电阻小到实际上测不出来(或者说几乎为零),此时的汞实际上就成为了超导体。之后,他又发现许多其他金属与合金也具有超导电性。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年的诺贝尔奖。


如今,超导体已经广泛应用于人类生产生活的各个领域。“零电阻损耗”,使超导体可用于节能的电力传输线和能量存储设备;“特殊的磁现象”(磁屏蔽现象与磁悬浮现象),使超导体可用于核磁共振扫描仪与悬浮列车等设备。

超导体引起的磁悬浮现象(图片来源:维基百科)

在这里,我们需要特别注意的是:4.2K是一个极低的温度,非常接近绝对零度长期以来,这一极低的温度条件极大限制了超导体的应用。


1986年1月,在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹缪勒,首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体,将超导温度提高到30K。这一突破性发现导致了一系列铜氧化物(cuprate)高温超导体的发现。柏诺兹和缪勒也因此荣获1987年度诺贝尔物理学奖。


1987年初,美国吴茂昆(朱经武)等和我国物理所赵忠贤等通过元素替换,宣布发现了90K钇钡铜氧化物超导体,第一次突破了液氮温度(77K)这个温度壁垒。此类超导体由于其临界温度在液氮温度(77K)以上,因此通常被称为高温超导体。


此后,全球掀起了一股探索新型高温超导体的热潮。1987年底,中国留美学者盛正直等首先发现了第一个不含稀土的铊钡铜氧化物高温超导体。1988年初,日本研制成临界温度达110K的铋锶钙铜氧化物超导体。1988年2月,盛正直等又进一步发现了125K铊钡钙铜氧化物超导体。1993年,法国科学家发现了135K的汞钡钙铜氧化物超导体。此后,高温超导体的温度记录仍在不断得到刷新。


可是,问题来了。几十年以来,科研人员们一直对某些铜氧化物(cuprate)在100K 之上的温度所表现出的超导性疑惑不解。


创新


今天,笔者要介绍的这项研究正为了帮助我们揭开迷雾,更深入地理解铜氧化物高温超导体的超导特性。


近期,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)为揭示铜氧化物非凡的特性提供了一条线索。出人意料的是,答案却源自电子自旋他们描述这一发现的论文发表在《科学(Science)》期刊上


技术


每个电子就像一个微型磁体,磁体指向特定的方向。而大多数超导材料似乎遵循着其内部“指南针”所指的方向。它们的电子自旋并不是指向相同的方向,而是随意地指向不同方向:有些“向上”,有些“向下”。


下图所示:通过 SARPES 技术所带来的自旋分辨率,伯克利实验室的研究人员们揭示了 Bi-2212 在之前研究中未引起注意的磁特性。

(图片来源:Kenneth Gotlieb、Chiu-Yun Lin 等 /Berkeley Lab)


科学家们在开发各种新材料时,通常需要审视材料的电子自旋,或者说“电子的指向”。但是,当说到制造超导体时,凝聚态物理学家们的传统做法并不是集中精力研究自旋,因为他们一贯秉持这样的观点:“这些材料的独特属性,都只是由于两个电子之间通过所谓的‘电子关联’展开相互作用而形成的。”


但是,当伯克利实验材料科学部门科学家、加州大学伯克利分校物理系教授 Alessandra Lanzara 领导的研究团队采用一种独特的探测器,通过一项称为“SARPES(自旋和角度分辨光电子能谱)”的强大技术,测量独特的铜氧化物超导体“Bi-2212(铋锶钙铜氧化物)”时,他们发现了与以往的见解相违背的东西:材料中存在着一种电子自旋的独特模式

下图所示:由伯克利实验室 Alessandra Lanzara (左二)领导的团队采用 SARPES 探测器揭示出铜氧化物高温超导体中电子自旋的独特模式。论文领导作者包括:Kenneth Gotlieb(右二)和 Chiu-Yun Lin (右一)。论文的合著者还包括:伯克利实验室先进光源的 Chris Jozwiak (左一)。

(图片来源:Peter DaSilva/Berkeley Lab)

Lanzara 表示:“换句话说,我们发现每个电子根据其动量都指向明确的方向,这种特性也称为自旋动量锁定。在高温超导体中发现这一特性是一个大惊喜。”


在超导体的世界中,“高温”意味着,材料能在比预期温度高(但是仍然是低于华氏零度的极冷温度)的情况下,以零电阻实现导电。这是因为超导体需要变得非常冷,才能在没有电阻的情况下输送电力。在低温条件下,电子可以相互同步运动,不会被“抖动”的原子碰撞到而引起电阻。


论文的共同领导作者之一、开展这项研究时任 Lanzara 实验室博士生的 Kenneth
Gotlieb
表示,然而在这种特殊的高温超导材料中,铜氧化物属于性能最好的,因此研究人员们可以相信铜氧化物有望成为一种用于构造超级节能电线的新材料,这种电线可以在电子动量零损耗的情况下传输电力。
理解为什么以 Bi-2212 为代表的奇特的铜氧化物超导体能在高达133K的温度下工作,将使得高温超导设备走向实用变得更容易。


Gotlie 表示,在凝聚态物理学家们所研究的这些非常奇特的材料之中,电子两种相互作用为包括超导体在内的这些新材料带来了新特性。科学家们研究铜氧化物超导体时,一直都只是关注其中一种相互作用:电子关联


然而,在这些奇特的材料中还发现了另一种电子相互作用:“自旋轨道耦合(spin-orbit coupling)”。在这种方式下,电子的磁矩与材料中的原子产生相互作用。


论文共同领导作者之一、伯克利实验室材料科学部门的研究员、加州大学伯克利分校物理系博士生 Chiu-Yun Lin 表示,在铜氧化物超导体的研究中,自旋轨道耦合效应常常被忽略,因为许多人假定这种电子相互作用与电子关联比起来显得很弱。Lin 表示,所以当他们发现非同寻常的自旋模式时,尽管对于起初的发现感到以外的惊喜,但是他们仍然不确定这是否“真”是 Bi-2212 材料的本征特性,或者是由于实验中的激光与材料的相互作用而引起的一种外部效应。


通过近三年的研究,Gotlieb 与 Lin 采用 SARPES 探测器Lanzara 的实验室中完整描绘出自旋模式。当他们需要更高的光子能量,在样本中激发更大范围的电子时,研究人员将探测器移动到了附近的伯克利实验室的同步加速器,即美国能源部科学用户设施办公室的先进光源(ALS)。该先进光源擅长用较低能量的“软”X射线研究材料的特性。


SARPES 探测器由 Lanzara 以及作为论文合著者的 ALS 部门前副主任 Zahid Hussain 、ALS 科学家 Chris Jozwiak 一同开发。探测器使科学家们能够探测电子的关键特性,例如价带结构。


论文共同领导作者之一 Chiu-Yun Lin 通过 SARPES 探测器的观察窗口往里看。探测器让伯克利实验室的科学家们可以探测电子的关键特性,例如价带结构。

(图片来源:Peter DaSilva/Berkeley Lab)


在研究团队将 SARPES 探测器与光束线 10.0.1 连接起来,在 ALS 展开了数十次实验之后,他们能够通过获取这种强大的光线来探索电子的自旋。


价值


相比他们在实验室获取的光线,这些电子运动能以更高的动量通过超导体。他们发现,Bi-2212 的独特自旋模式,也称为“非零自旋(nonzero spin)”,是一个真实的结果,这个成果启发他们问更多的问题。Lin 表示:“在高温超导领域还有许多未得到解决的问题。我们的工作为更好地理解铜氧化物超导体提供了新的知识,这些知识将成为解决这些问题的基础。


Lanzara 补充道,如果没有伯克利实验室的团队合作,他们不会取得这一发现。她说:“这项研究是一个典型的案例,它说明了不同学科的专家一起合作将推动科学进展,以及新仪器设备是怎样推动科学发展的。

关键字

超导自旋电子学先进光源

参考资料


【1】https://newscenter.lbl.gov/2019/01/03/revealing-hidden-spin-unlocking-new-paths-toward-high-temperature-superconductors/

【2】Kenneth Gotlieb, Chiu-Yun Lin, Maksym Serbyn, Wentao Zhang, Christopher
L. Smallwood, Christopher Jozwiak, Hiroshi Eisaki, Zahid Hussain, Ashvin
Vishwanath, Alessandra Lanzara. Revealing hidden spin-momentum locking in a high-temperature cuprate superconductor. Science, 2018; 362 (6420): 1271 DOI: 10.1126/science.aao0980



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