清華朱靜院士團隊在超導領域取得“重大突破”

發布時間：2023-02-23 14:53 原文鏈接：清華朱靜院士團隊在超導領域取得“重大突破”

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2017年，中科院院士、清華大學教授朱靜進入了一個她不熟悉的超導材料研究領域。在近十年的測定量子材料序參量的電子顯微學方法研究基礎上，朱靜團隊在超導材料中獲得了一些重要發現。

2023年2月22日，《自然》雜志刊發了朱靜團隊與合作者的最新研究成果。團隊利用洛倫茲透射電子顯微鏡，在實驗中首次直接觀察到了欠摻雜的YBa2Cu3O6.5樣品中贗能隙態下存在的拓撲磁渦旋結構。

兩位審稿人給出了“重大突破”“重要一步”的高度評價。

“被人忽略”的強大工具

1986年，德國科學家貝特諾茨和美國科學家繆勒發現，銅氧化物陶瓷材料在較高溫度下出現了超導現象。這被認為是科學發展的重大突破，也為我們揭示了一個新的微觀量子世界。

幾十年來，一大批科學家投身高溫超導研究行列，試圖解決其中最具挑戰性的問題——高溫超導現象發生機制。

2017年暑假，朱靜在清華大學的校園里遇到了中科院院士薛其坤，他們是“忘年交”，薛其坤笑著說，“朱老師，您怎么不做超導？”朱靜回答說：“超導我也不懂，我也沒有材料。”隨后，朱靜來到薛其坤的辦公室，看到了許多超導的相關研究成果。

作為我國材料電子顯微學領域學術帶頭人，朱靜從事電子顯微學研究60余年，她對于如何進一步利用電子顯微鏡中電子和物質的交互作用產生的各種信號，有著深刻地認識。但朱靜未想過涉足超導領域，她深知，超導研究是非常不容易的。

“蹭”課、讀文獻和專業教材，朱靜一步步從基礎學起，漸漸地她了解到，“高溫超導的超導機制不清楚，特別是原子尺度的超導研究更為缺少。”

若能從原子層面了解高溫超導體材料的序參量，將對高溫超導機制的理解具有深刻意義。而電子顯微學能發揮強大作用，只不過人們往往將它的功能只聚焦在點陣研究上。

自2013年起，朱靜團隊一直致力于發展量子材料序參量的電子顯微學研究，他們利用磁光材料在高分辨率下，協同實驗測量晶格、電荷、自旋、軌道、拓撲量子序參量的有效性和優勢，使人們能夠深入了解多個量子序參量之間隱藏的耦合效應，從而進一步指導了各種復雜功能材料的研究和開發，相關研究成果于2021年發表在《美國科學院院刊》上。

朱靜說，由于銅氧化物的原子結構和電子結構的復雜性，高溫超導現象在微觀機理研究方面還存在著許多需要解決的科學問題，所以需要具有在實空間，多尺度（從微米尺度到原子尺度）空間分辨率高的實驗手段來進行研究。

“我們使用的主要實驗技術，是最先進的透射電子顯微鏡及其與之發展起來的洛倫茲和原位（從10K-340K）電子顯微學技術，以及一個可以在原子尺度下，表征物質的晶格、電荷、軌道、自旋和拓撲等量子序參量的強大工具。”朱靜說。

深夜12點半的驚喜瞬間

揭示和理解高溫超導中贗能隙態下所蘊含的豐富物理現象，是凝聚態物理領域面臨的重大挑戰之一。

贗能隙現象出現在高溫超導體的正常相中，贗能隙是高溫超導體中發現的一個讓人非常困惑的物理現象，與高溫超導機理之間的本質聯系，是高溫超導研究的核心問題之一。

朱靜表示，高溫超導銅氧化物的贗能隙態處于超導轉變溫度之上, 位于T*（贗能隙態轉變溫度）溫度之下。過去，已有實驗結果表明，在特征溫度T*以下，存在時間反演對稱性破缺。但是贗能隙態的起源和時間反演對稱性破缺態與超導性的關聯，一直是不完全清楚的科學問題。如果能夠在實空間更加清楚地解析贗能隙態下的異常磁結構，可以幫助人們進一步理解高溫超導中贗能隙態下豐富的物理。

過去，相關研究利用透射電子顯微鏡研究高溫超導銅氧化物及其物理，主要集中在室溫區。但是，由于高溫超導的豐富物理往往出現在低溫條件下。

“如何在透射電鏡中，實現在低溫到極低溫的條件下，對銅基高溫超導體的相關物理研究，是一個很大的挑戰。”朱靜說，基于此，他們利用液氦樣品桿，實現“全溫區”范圍的研究。

沒有新樣品材料，朱靜選擇了高溫超導材料中最經典的兩種：釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）作為研究材料。

與此同時，朱靜團隊利用了復旦大學電子顯微鏡實驗室的新安裝的、當時中國最先進的電子顯微鏡和液氦樣品臺合作開展樣品測試。開始實驗前，朱靜也不知道能看到什么現象，只是有種直覺：超導與磁性有很大關聯！朱靜告訴學生，注意銅基高溫超導中的贗能隙態下的異常磁激發問題。

然而，在復旦大學實驗室的一個星期里，科研團隊一無所獲，便準備回京。臨行前的最后一晚，團隊成員“不甘心”，打算再熬一宿試試。

半夜12點30分，幾乎在一瞬間，電腦屏幕上的圖像發生了清晰地“異動”，是量子序參量的拓撲渦旋磁結構。科研人員頓時困意消失，“這就是異常磁激發！”于是，通過在透射電鏡中原位施加溫度場和磁場，得到了該拓撲渦旋磁結構的溫度—磁場—空穴摻雜相圖，實驗一直做到了第二天早上8點。

“事實上，超導材料中異常磁激發在2006年由法國學者用中子衍射方法發現，但是他的研究一直沒有給出清晰的物理圖像，使得這個異常磁激發分支至今被人們忽略了。”朱靜告訴《中國科學報》，由于現代電子顯微鏡鏡具有較高的點陣分辨率和空間分辨率，我們可以在實空間納米尺度下，實現對材料中的微觀磁結構的直接探測，最終發現了贗能隙態下存在的拓撲磁渦旋結構。

“做研究者要熱愛研究、要成天琢磨科學問題”

通過重復實驗和解釋分析，并結合對應的原子結構和電子結構序參量，給出了該拓撲磁渦旋結構可能的起源。

該研究結果表明，拓撲磁渦旋結構與電荷密度波相存在競爭關系，能夠在較寬的溫度范圍內與超導相共存，這表明此拓撲磁渦旋結構在高溫超導機制中可能具有促進作用。

同時，該拓撲磁渦旋序的發現給贗能隙態下時間反演對稱性破缺提供微觀上的直接圖像，為人們進一步理解和研究銅氧化物中贗能隙態下時間反演對稱破缺提供了新的思路和見解。

兩位審稿人評價：“該實驗結果對理解贗能隙態有重大突破，應該可以發表在任何期刊上”“該工作對理解贗能隙態重要的一步”。

“做研究帶來了很多快樂。”朱靜說，思考是一件很重要的事情，理解和解讀實驗現象的過程也是有趣的，她一直記得曾經導師的一句話：“What you think, what you see.”。

因無法再操作具體實驗，朱靜與學生們保持著密切的交流，有時她提出想法，指導學生予以實現，有時也被學生的想法啟發，教學相長。

“年輕人很聰明，要鼓勵他們熱愛所做的事情。做研究一定得是高興的。他們熱愛研究、發自真心的感到高興，忘我地投入思考，就會有更多的新想法。”朱靜笑著說。

在朱靜看來，這一實驗并非完全能夠解釋高溫超導的機理，其背后可能隱藏著更加豐富的物理知識，對凝聚態物理的研究也將產生啟發，她正帶著學生開展下一步的工作。