「不良金屬」中的電荷條紋，對於高溫超導研究有什麼幫助？

導讀

最近，美國科學家通過研究「不良金屬」中的電荷條紋，為進一步理清高溫超導材料背後的機制提供了線索。

關鍵字

超導、電子

背景

今天要介紹的技術創新與一種奇特的物理現象相關，它就是：超導。

在《石墨烯：超導天賦被激發，有望用於分子電子設備！》這篇文章中，我曾介紹過石墨烯在超導方面的天賦，讓我們再簡單回顧一下：

超導，是指某些物質在一定溫度條件下（一般都是極低的溫度）電阻降為零的性質。

1911年，荷蘭科學家H·卡茂林·昂內斯發現，將汞冷卻至 -268.98℃（4.2K）時，汞的電阻突然消失了。此時，汞實際上就成為了超導體。

超導體，具有一些列優秀的特性，例如零電阻、反磁性、量子隧道效應。由於上述優秀的特性，超導體可應用於發電、輸電、儲能、磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等方面。

（圖片來源於：維基百科）

但是，我們要特別注意，4.2K 是一個極低的溫度，離絕對零度（0K）已經不遠了。可想而知，要達到如此低的溫度並非易事。

很長時間以來，由於需要極低的溫度條件，超導體的應用受到了極大限制。

所以，科學家們一直都在致力於提高實現超導的溫度，即探索在相對較高的溫度條件下實現超導。在科學界的積極探索下，超導的臨界溫度，不斷創下新高。

直到2015年8月，德國馬克斯·普朗克協會化學研究所發布公報稱，其研究人員發現，高壓下的硫化氫會在零下70攝氏度（203K）時失去對電流的阻礙能力。此時，超導臨界溫度最高記錄已經達到203k。

創新

為了進一步研究高溫超導材料背後的機制，最近美國布魯克海文國家實驗室和石溪大學的科學家們進行了創新探索。然而，他們的創新發現有點違反自覺，這是因為他們研究了所謂的「不良金屬」，其導電能力很差。

但是，研究人員發現其中的「電荷條紋」，在超導性方面起到了關鍵作用，可以在令人驚訝的高溫條件下，形成導電性，且具有方向依賴性。

Ruidan Zhong 和 John Tranquada

（圖片來源於：布魯克海文國家實驗室）

這項研究檢測了定製化生長的氧化鎳材料模型系統。論文在線發表於4月28日的《物理評論快報》雜誌。文章的領導作者、石溪大學的博士生 Ruidan Zhong 這麼說：

「這是研究高溫超導性機制以及電荷條紋這個複雜角色的道路上的一步。我們拍攝了在液相中波動的動態條紋，在那裡，它們能夠自由排列，並且間歇性地允許電流通過。」

實驗中，研究人員與美國能源部（DOE）橡樹嶺國家實驗室展開了合作，使用了位於該實驗室的散裂中子源，測量這些條紋。

（圖片來源於：維基百科）

DOE 布魯克海文國家實驗室的物理學家、論文的合著者 John Tranquada 評論：

「二十年來，我們一直在學習條紋排列，而橡樹嶺的儀器特別適合於探索新領域。我們一直在尋找的信號十分微弱，而且埋藏在更強的信號叢中，但是我們還是找到了它。」

技術

幾十年來，科學家們一直都能夠利用特定的氧化銅（銅酸鹽）絕緣體，替代原子調整電子含量，然後在低溫條件下誘發超導性。其中，條紋起到了關鍵作用，它們的出現以及與溫度相關的行為，特別難以追蹤。

Tranquada 說：

「在銅酸鹽超導體中，當電荷條紋固定在原子晶格上時，我們已經學會了如何檢測它們。但是，一旦它們開始移動，我們就無法觀測它們。所以，與鑭、鍶、銅的氧化合物超導材料不同，我們採用了特殊辦法將銅變成鎳。」

在不使用任何容器的情況下，研究人員讓氧化鎳（鎳酸鹽）晶體在液相上生長。它們的結構與銅氧化物類似，但是具有更強的條紋序列。如果我們用正確的工具窺視其內部，原本難以捉摸的電荷條紋會變得更容易觀察。

團隊採用了位於橡樹嶺實驗室散裂中子源的飛行時間混合譜儀(HYSPEC) 。這種儀器，利用中子束轟擊鎳酸鹽樣本。然後，中子束遇到原子結構會散開。通過測量分散的中子到達檢測器所花的時間，科學家推斷出其損失或者獲取的能量，這樣反過來推導出條紋存在與否。

經過高強度的計算機處理，科學家可以獲取到中子散射的結果。這一結果提供了鎳酸鹽中所謂的「向列相」存在的證據。

Zhong 說：

「電子的向列相，由電子關聯效應驅動，打破了材料晶格的旋轉對稱。在鎳酸鹽中，這些像波一樣、相互關聯的條紋穿過材料，直接影響導電性。」

這看上去就像一群細長的魚游過一些凹陷的結構。Tranquada 如此解釋：

「它們以一種緊密、高度協調和讓人難以捉摸的群體方式移動著。這些魚沿著平行方向移動會相當順利，但是如果違反這種協調小組，在垂直的方向上移動，那將是極具挑戰性的。這就有點類似電流流過鎳酸鹽，與這些電荷波交互的方式。」

價值

這種持續而奇特的電荷條紋，對於鎳酸鹽的導電性產生影響的準確機制（更重要的是在類似的超導銅酸鹽中）目前仍然不清楚。

但是，Zhong 說：

「我們希望這項研究能為探索高溫超導體的實驗和理論方面，提供許多新機會。隨著我們繼續研究這些材料，這背後的機制最終會從隱藏的地方走出來。」

參考資料

【1】https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=212220

【2】Ruidan Zhong et al. Evidence for a Nematic Phase in La1.75Sr0.25NiO4. Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.177601

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