20年的尝试，终于迎来突破
超导体大致可分为两类，一类是可以被主流超导理论解释的常规超导体，还有一类是无法用主流理论解释的非常规超导体。非常规超导体是一种复杂的材料，它们可以在相对较高的温度下表现出超导性，是许多物理学家在寻找室温超导体的道路上所关注的焦点。铜氧化物就是一类具有这种非常规的超导性的材料，它们的超导性发生在二维层面上。
近日，《科学》杂志就刊登了一篇与铜氧化物这种非常规超导体有关的新发现。新研究表明，一个科学家团队首次合成了一种可以被掺杂的一维铜氧化物。在分析了这种被掺杂过的材料之后，他们发现已有的一个关于铜氧化物是如何实现超导性的著名模型，缺少了一个关键成分——它忽略了真实材料中的一个非常重要的现象，即在这种材料的原子结构（晶格）中，相邻电子之间存在意想不到的强大吸引力。
哈伯德模型是一个被用来模拟这些复杂材料的主要模型。在这个模型的二维版本中，它基于的是一个由最简单的原子组成的平坦的、间隔均匀的网格。然而，即使是这样一个最简单的二维网格，对于如今的计算机和算法来说还是太过于复杂了。
目前，还没有一种公认的方法，能够确保这种模型对材料的物理性质的计算是正确的。这给物理学家造成了困扰——当模型给出的结果与实验结果不匹配时，他们无从判断是计算出了问题还是理论模型出了问题。
为了解决这个问题，物理学家在研究非常规超导体时，会通过将模型简化到一维空间来了解发生了什么。他们将哈伯德模型应用到最简单的晶格——链状的一维铜氧化物上。通过在实验室中制作出一维的铜氧化物，物理学家已经发现一维模型能够准确地计算未经掺杂的一维材料链中电子的集体行为。
然而可惜的是，这些一维的原子链无法做到一件事——它们不能被掺杂。掺杂是一个用一些原子替代材料中的另一些原子，以改变可以自由移动的电子数量的过程。通过进行这项操作，科学家可以调整材料的行为，使它们成为超导材料。
可是，尽管科学家已经努力尝试了20多年，他们仍然无法地对一维铜氧化物进行可控地掺杂。这正是新研究所取得的重要成就：他们形成了一种由平行链组成的铜氧化物，并成功地对这种材料进行了掺杂。
为了制造掺杂的一维链，研究团队在一个用于支撑的表面上喷涂上一层只有几个原子厚的铜氧化物材料——钡锶铜氧（BSCO）。薄膜和表面的晶格形状会以一种特殊的方式排列，形成嵌入在三维的BSCO材料中的一维铜氧链。
一维的铜氧化物被“掺杂”后释放出了部分电子。图中黑球代表铜原子，紫球代表氧原子，红色弹簧代表原子晶格的自然振动，这种振动有可能有助于晶格中相邻电子之间产生意想不到的强大吸引力。这种“最近邻”的吸引力可能在非常规超导中发挥作用。| 图片来源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
通过将这些链暴露在臭氧和热中，他们将氧原子添加到了原子晶格中。每个氧原子会从链中拉出一个电子，被释放的电子会变得更容易移动。当这些能够自由流动的电子数以百万计地聚集在一起时，它们就可以创造出一个集体状态——这是超导性的基础。
接着，研究人员对链进行角分辨光电子谱（ARPES）分析。这项技术能将电子从链中喷射出来，并测量它们的方向和能量，为研究人员提供了一幅关于电子在材料中的行为的详细图像。
角分辨光电子谱（ARPES）可以从掺杂的一维铜氧化链中发射电子，并测量它们的方向和能量。| 图片来源：Zhuoyu Chen/Stanford University
通过ARPES分析，研究人员发现，在被掺杂过的一维材料中，电子对邻近晶格位点上的电子的吸引力，与简单的哈伯德模型的预测不匹配——它比哈伯德模型预测的要强10倍。
研究人员认为，这种高水平的“最近邻”吸引力，可能来自与声子的相互作用。声子是振动的原子晶格的自然振动，它在传统的超导性中扮演着重要的角色。有迹象表明，声子也可能以不同的方式参与到如铜氧化物在内的非传统超导性中，不过这一点还没有被完全证实。
鉴于铜氧化物在结构和量子化学上的相似性，研究人员认为很可能在所有的铜氧化物中都存在这种电子间的最近邻吸引力。也就是说，这种强吸引力可能在高温铜氧化物超导体中发挥同样重要的作用。
此外，新的发现还将有助于理解二维的哈伯德模型及其同类模型的超导性，帮助科学家们对这类复杂的材料有着更完整的理解。
#创作团队：
编译：小雨
#参考来源：
https://www6.slac.stanford.edu/news/2021-09-09-after-20-years-trying-scientists-succeed-doping-1d-chain-cuprates.aspx
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf5174
#图片来源：
封面图：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
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