理解銅氧化物高溫超導特性的關鍵線索：電子自旋！

導讀

近期，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室為揭示銅氧化物非凡的高溫超導特性提供了一條線索。出人意料的是，答案卻源自電子自旋。

背景

超導，是一種非常奇特的物理現象，也是上個世紀最偉大的科學發現之一。

什麼是超導？

超導（superconductivity），全稱為「超導電性」，是指某些物質在溫度降低到某一臨界溫度（一般是極低的溫度）之下，電阻降為零的特性。而具備超導特性的材料稱為「超導體」或者「超導材料」。

1911年，荷蘭物理學家H·卡茂林·昂內斯發現，汞在溫度在4.2K（-268.98℃）附近時，其電阻小到實際上測不出來（或者說幾乎為零），此時的汞實際上就成為了超導體。之後，他又發現許多其他金屬與合金也具有超導電性。昂內斯由於他的這一發現獲得了1913年的諾貝爾獎。

如今，超導體已經廣泛應用於人類生產生活的各個領域。「零電阻損耗」，使超導體可用於節能的電力傳輸線和能量存儲設備；「特殊的磁現象」（磁屏蔽現象與磁懸浮現象），使超導體可用於核磁共振掃描儀與懸浮列車等設備。

超導體引起的磁懸浮現象（圖片來源：維基百科）

在這裡，我們需要特別注意的是：4.2K是一個極低的溫度，非常接近絕對零度。長期以來，這一極低的溫度條件極大限制了超導體的應用。

1986年1月，在美國國際商用機器公司設在瑞士蘇黎世實驗室中工作的科學家柏諾茲和繆勒，首先發現鋇鑭銅氧化物是高溫超導體，將超導溫度提高到30K。這一突破性發現導致了一系列銅氧化物（cuprate）高溫超導體的發現。柏諾茲和繆勒也因此榮獲1987年度諾貝爾物理學獎。

1987年初，美國吳茂昆（朱經武）等和我國物理所趙忠賢等通過元素替換，宣布發現了90K釔鋇銅氧化物超導體，第一次突破了液氮溫度（77K）這個溫度壁壘。此類超導體由於其臨界溫度在液氮溫度（77K）以上，因此通常被稱為高溫超導體。

此後，全球掀起了一股探索新型高溫超導體的熱潮。1987年底，中國留美學者盛正直等首先發現了第一個不含稀土的鉈鋇銅氧化物高溫超導體。1988年初，日本研製成臨界溫度達110K的鉍鍶鈣銅氧化物超導體。1988年2月，盛正直等又進一步發現了125K鉈鋇鈣銅氧化物超導體。1993年，法國科學家發現了135K的汞鋇鈣銅氧化物超導體。此後，高溫超導體的溫度記錄仍在不斷得到刷新。

可是，問題來了。幾十年以來，科研人員們一直對某些銅氧化物（cuprate）在100K 之上的溫度所表現出的超導性疑惑不解。

創新

今天，筆者要介紹的這項研究正為了幫助我們揭開迷霧，更深入地理解銅氧化物高溫超導體的超導特性。

近期，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）為揭示銅氧化物非凡的特性提供了一條線索。出人意料的是，答案卻源自電子自旋。他們描述這一發現的論文發表在《科學（Science）》期刊上。

技術

每個電子就像一個微型磁體，磁體指向特定的方向。而大多數超導材料似乎遵循著其內部「指南針」所指的方向。它們的電子自旋並不是指向相同的方向，而是隨意地指向不同方向：有些「向上」，有些「向下」。

下圖所示：通過 SARPES 技術所帶來的自旋解析度，伯克利實驗室的研究人員們揭示了 Bi-2212 在之前研究中未引起注意的磁特性。

（圖片來源：Kenneth Gotlieb、Chiu-Yun Lin 等/Berkeley Lab)

科學家們在開發各種新材料時，通常需要審視材料的電子自旋，或者說「電子的指向」。但是，當說到製造超導體時，凝聚態物理學家們的傳統做法並不是集中精力研究自旋，因為他們一貫秉持這樣的觀點：「這些材料的獨特屬性，都只是由於兩個電子之間通過所謂的『電子關聯』展開相互作用而形成的。」

但是，當伯克利實驗材料科學部門科學家、加州大學伯克利分校物理系教授 Alessandra Lanzara 領導的研究團隊採用一種獨特的探測器，通過一項稱為「SARPES（自旋和角度分辨光電子能譜）」的強大技術，測量獨特的銅氧化物超導體「Bi-2212（鉍鍶鈣銅氧化物）」時，他們發現了與以往的見解相違背的東西：材料中存在著一種電子自旋的獨特模式。

下圖所示：由伯克利實驗室 Alessandra Lanzara （左二）領導的團隊採用 SARPES 探測器揭示出銅氧化物高溫超導體中電子自旋的獨特模式。論文領導作者包括：Kenneth Gotlieb（右二）和 Chiu-Yun Lin （右一）。論文的合著者還包括：伯克利實驗室先進光源的 Chris Jozwiak （左一）。

（圖片來源：Peter DaSilva/Berkeley Lab）

Lanzara 表示：「換句話說，我們發現每個電子根據其動量都指向明確的方向，這種特性也稱為自旋動量鎖定。在高溫超導體中發現這一特性是一個大驚喜。」

在超導體的世界中，「高溫」意味著，材料能在比預期溫度高（但是仍然是低於華氏零度的極冷溫度）的情況下，以零電阻實現導電。這是因為超導體需要變得非常冷，才能在沒有電阻的情況下輸送電力。在低溫條件下，電子可以相互同步運動，不會被「抖動」的原子碰撞到而引起電阻。

論文的共同領導作者之一、開展這項研究時任 Lanzara 實驗室博士生的 Kenneth Gotlieb 表示，然而在這種特殊的高溫超導材料中，銅氧化物屬於性能最好的，因此研究人員們可以相信銅氧化物有望成為一種用於構造超級節能電線的新材料，這種電線可以在電子動量零損耗的情況下傳輸電力。理解為什麼以 Bi-2212 為代表的奇特的銅氧化物超導體能在高達133K的溫度下工作，將使得高溫超導設備走向實用變得更容易。

Gotlie 表示，在凝聚態物理學家們所研究的這些非常奇特的材料之中，電子兩種相互作用為包括超導體在內的這些新材料帶來了新特性。科學家們研究銅氧化物超導體時，一直都只是關注其中一種相互作用：電子關聯。

然而，在這些奇特的材料中還發現了另一種電子相互作用：「自旋軌道耦合（spin-orbit coupling）」。在這種方式下，電子的磁矩與材料中的原子產生相互作用。

論文共同領導作者之一、伯克利實驗室材料科學部門的研究員、加州大學伯克利分校物理系博士生 Chiu-Yun Lin 表示，在銅氧化物超導體的研究中，自旋軌道耦合效應常常被忽略，因為許多人假定這種電子相互作用與電子關聯比起來顯得很弱。Lin 表示，所以當他們發現非同尋常的自旋模式時，儘管對於起初的發現感到以外的驚喜，但是他們仍然不確定這是否「真」是 Bi-2212 材料的本徵特性，或者是由於實驗中的激光與材料的相互作用而引起的一種外部效應。

通過近三年的研究，Gotlieb 與 Lin 採用 SARPES 探測器，在 Lanzara 的實驗室中完整描繪出自旋模式。當他們需要更高的光子能量，在樣本中激發更大範圍的電子時，研究人員將探測器移動到了附近的伯克利實驗室的同步加速器，即美國能源部科學用戶設施辦公室的先進光源（ALS）。該先進光源擅長用較低能量的「軟」X射線研究材料的特性。

SARPES 探測器由 Lanzara 以及作為論文合著者的 ALS 部門前副主任 Zahid Hussain 、ALS 科學家 Chris Jozwiak 一同開發。探測器使科學家們能夠探測電子的關鍵特性，例如價帶結構。

論文共同領導作者之一 Chiu-Yun Lin 通過 SARPES 探測器的觀察窗口往裡看。探測器讓伯克利實驗室的科學家們可以探測電子的關鍵特性，例如價帶結構。

（圖片來源：Peter DaSilva/Berkeley Lab）

在研究團隊將 SARPES 探測器與光束線 10.0.1 連接起來，在 ALS 展開了數十次實驗之後，他們能夠通過獲取這種強大的光線來探索電子的自旋。

價值

相比他們在實驗室獲取的光線，這些電子運動能以更高的動量通過超導體。他們發現，Bi-2212 的獨特自旋模式，也稱為「非零自旋（nonzero spin）」，是一個真實的結果，這個成果啟發他們問更多的問題。Lin 表示：「在高溫超導領域還有許多未得到解決的問題。我們的工作為更好地理解銅氧化物超導體提供了新的知識，這些知識將成為解決這些問題的基礎。」

Lanzara 補充道，如果沒有伯克利實驗室的團隊合作，他們不會取得這一發現。她說：「這項研究是一個典型的案例，它說明了不同學科的專家一起合作將推動科學進展，以及新儀器設備是怎樣推動科學發展的。」

關鍵字

超導、自旋電子學、先進光源

參考資料

【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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