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当科学家研究非传统超导体时,复杂的材料在相对较高的温度下以零损耗导电,他们通常依靠简化模型来了解发生了什么。

研究人员知道,这些量子材料的能力来自于电子,这些电子合力形成一种电子汤。但是,对这一复杂过程进行建模所需的时间和计算能力远远超过今天任何人所能想象的。因此,为了理解一类关键的非传统超导体——氧化铜或铜氧化物,为了简单起见,研究人员创建了一个理论模型,在该模型中,材料以原子串的形式存在于一维中。他们在实验室制作了这些一维铜氧化物,发现它们的行为与理论非常吻合。

不幸的是,这些一维原子链缺少一点:它们不能被掺杂,这一过程中,一些原子被其他原子取代,以改变自由移动的电子数量。掺杂是科学家可以调整的几个因素之一,以调整这些材料的行为,它是使它们超导的关键部分。

现在,由美国能源部SLAC*家加速器实验室和斯坦福大学及克莱姆森大学的科学家领导的一项研究合成了第一种可以掺杂的一维铜氧化物材料。他们对掺杂材料的分析表明,关于铜氧化物如何实现超导电性的最著名的模型缺少一个关键因素:材料原子结构或晶格中相邻电子之间意外的强大吸引力。他们说,这种吸引力可能是与自然晶格振动相互作用的结果。

研究小组今天在《科学》杂志上报道了他们的发现。

斯坦福大学教授、SLAC斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)研究员沈志勋(Zhi Xun Shen)说:“无法控制掺杂一维铜氧化物系统,这是20多年来理解这些材料的一个重大障碍。”

“现在我们已经做到了,”他说,“我们的实验表明,我们目前的模型忽略了真实材料中存在的一个非常重要的现象。”

沈博士实验室的博士后研究员、该研究的实验部分负责人陈卓宇表示,该研究团队开发了一种系统,用于制作嵌入3D材料中的一维链,并将其直接移动到SLAC斯坦福同步辐射光源(SSRL)的一个室内,从而使该研究成为可能用于使用强大的X射线束进行分析。

“这是一个独特的设置,”他说,“对于获得我们所需的高质量数据以看到这些非常微妙的效果来说,这是必不可少的。”

从理论上讲,从网格到链

用于模拟这些复杂材料的主要模型称为哈伯德模型。在它的2D版本中,它是基于一个由尽可能简单的原子组成的平坦、均匀分布的网格。

但是,对于今天的计算机和算法来说,这种基本的二维网格已经太复杂了,无法处理,斯坦福大学SLAC教授兼SIMES研究员托马斯·德弗雷奥(Thomas Devereaux)说,他监督了这项工作的理论部分。没有公认的方法来确保模型对材料物理性质的计算是正确的,因此如果它们与实验结果不匹配,就无法判断计算或理论模型是否出错。

为了解决这个问题,科学家们将哈伯德模型应用于可能最简单的铜酸盐晶格的一维链——一串铜原子和氧原子。该模型的一维版本可以准确计算和捕获由未掺杂一维链制成的材料中电子的集体行为。但到目前为止,还没有一种方法来测试其对掺杂型链预测的准确性,因为尽管经过了二十多年的尝试,没有人能够在实验室中制造出它们。

“我们的主要成就是合成了这些掺杂链,”陈说。“我们能够在很宽的范围内对它们进行摄影,并获得系统的数据来确定我们所观察到的情况。”

一次一个原子层

为了制造掺杂的一维链,陈和他的同事在专门设计的SSRL光束线的密封室内的支撑表面上喷涂了一层铜酸钡锶铜氧化物(BSCO),只有几层原子厚。薄膜和表面上晶格的形状排列在一起,形成嵌入3D BSCO材料中的一维铜和氧链。

陈说,他们通过将链暴露在臭氧和热中来掺杂链,从而将氧原子添加到原子晶格中。每一个氧原子从链中拉出一个电子,那些被释放的电子变得更具流动性。当数以百万计的自由流动的电子聚集在一起时,它们可以形成一个集体态,这是超导电性的基础。

接下来,研究人员将他们的链穿梭到光束线的另一部分,用角分辨光电子能谱(ARPES)进行分析。这项技术将电子从链中喷射出来,并测量它们的方向和能量,为科学家们提供了一幅关于材料中电子行为的详细而敏感的图片。

出人意料的强大吸引力

克莱姆森大学(Clemson University)理论方面的助理教授姚旺(Yao Wang)说,他们的分析表明,在掺杂的一维材料中,电子对相邻晶格位置对应物的吸引力是哈伯德模型预测的10倍。

研究小组认为,这种高水平的“最近邻”吸引力可能源于声子与原子晶格抖动的自然振动的相互作用。众所周知,声子在传统超导电性中起着重要作用,有迹象表明,声子也可能以不同的方式参与非传统超导电性,这种非传统超导电性在铜氧化物等材料中的温度高得多时发生,尽管这一点尚未得到确切证明。

科学家们说,所有铜氧化物中都可能存在电子间的这种强大的近邻引力,这有助于理解哈伯德模型及其同类的2D版本中的超导性,让科学家们对这些令人费解的材料有一个更完整的了解。

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