鎳基超導(dǎo)中氫元素作用示意圖。受訪者供圖 

　　不久前，美國(guó)羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家Ranga Dias宣稱發(fā)現(xiàn)了室溫條件下的超導(dǎo)新材料。此消息一度引發(fā)全球“震動(dòng)”。畢竟，室溫常壓超導(dǎo)材料一直被眾多物理學(xué)家視為“終極目標(biāo)”，需歷經(jīng)一次又一次的驗(yàn)證和時(shí)間的考驗(yàn)。

　　盡管實(shí)現(xiàn)“終極目標(biāo)”舉步維艱，但仍讓眾多物理學(xué)家為之著迷，電子科技大學(xué)物理學(xué)院教授、凝聚態(tài)物理研究所所長(zhǎng)喬梁就是其中一名。近日，他和團(tuán)隊(duì)也在超導(dǎo)新材料研究領(lǐng)域取得突破，為鎳基超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新思路。研究成果在線發(fā)表于《自然》。

　　氫元素，被喬梁稱為是一只“看不見的手”，它悄悄改變了制備出的材料的物理性能，是影響鎳基超導(dǎo)電性關(guān)鍵而又隱秘的元素。

　　此次研究中，喬梁和團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中觀察到了奇異電子態(tài)，即巡游的間隙位s軌道（IIS）。在別人忽視的角落，他們牽到了那只“看不見的手”。

　　從鎳入手 

　　1986年初，兩名歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以銅為關(guān)鍵超導(dǎo)元素的銅氧化物超導(dǎo)體，為尋找室溫常壓超導(dǎo)帶來了希望。

　　為何這種材料具有較高的超導(dǎo)臨界溫度？這一問題30多年來仍沒有得到完美解答。

　　“科學(xué)家一直在思考，能否從類銅材料入手，借助銅基的調(diào)控思路實(shí)現(xiàn)新的超導(dǎo)材料，再借此反過來研究銅基超導(dǎo)？這或許會(huì)加深我們對(duì)高溫超導(dǎo)的理解。”喬梁說，元素周期表中與銅元素相鄰，在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上與銅有很多相似之處的鎳元素，成為物理學(xué)家心中理想的突破口。

　　2019年8月，美國(guó)斯坦福大學(xué)教授Hwang課題組率先在基于無限層結(jié)構(gòu)的鎳氧化物外延薄膜中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性。喬梁稱該研究具有劃時(shí)代的意義。

　　但后續(xù)鎳基超導(dǎo)的研究卻遇到一系列困惑：為什么無限層鎳基材料可以成為超導(dǎo)？為什么全世界只有少數(shù)幾個(gè)團(tuán)隊(duì)可以做出鎳基超導(dǎo)樣品？

　　“物理規(guī)律是客觀存在的。當(dāng)不同科學(xué)家的課題組制備的材料樣品頻繁出現(xiàn)‘性能不能重現(xiàn)’問題時(shí)，第一直覺就是材料內(nèi)部可能存在不為人知的‘隱變量’，從而悄悄改變了材料的物理性能。”在研究成果發(fā)布時(shí)，喬梁附上了這段話。

　　抱著試一試的心態(tài)，喬梁于2019年9月與學(xué)生一起開啟了鎳基超導(dǎo)的研究之旅。

　　摸清“黑匣子”里氫的作用 

　　2021年4月，喬梁團(tuán)隊(duì)在制備的鎳基超導(dǎo)外延薄膜中成功獲得了0電阻的超導(dǎo)電性。

　　當(dāng)年7月，喬梁帶著團(tuán)隊(duì)繼續(xù)從事超導(dǎo)樣品里氫的調(diào)控實(shí)驗(yàn)。“當(dāng)時(shí)并不知道氫的作用，只是學(xué)生碰巧做了。”喬梁回憶那時(shí)有一點(diǎn)“鬼使神差”，但也并不是毫無緣由——在無限層結(jié)構(gòu)鎳基氧化外延單晶薄膜的制備過程中，他們利用氫化鈣進(jìn)行了還原。

　　“我們通過調(diào)控還原條件發(fā)現(xiàn)，如果溫度不變，逐步增加還原時(shí)間，結(jié)果就會(huì)發(fā)生‘弱絕緣→超導(dǎo)→弱絕緣’的變化。”表面上看，是不同制備工藝導(dǎo)致，但喬梁總覺得這是一個(gè)新的角度。

　　“往深一步想，為什么調(diào)控時(shí)間會(huì)引起這樣的差別？”喬梁注意到，以往沒有任何課題組深究過氫化鈣這種還原劑。“是不是氫元素在起作用？”

　　但這是一個(gè)“黑匣子”。氫原子具有最小的原子半徑和原子質(zhì)量，與常規(guī)探測(cè)媒介相互作用弱、散射截面小，導(dǎo)致其很難被探測(cè)到。

　　隨即，喬梁尋求澳大利亞合作者Sean Li的幫助，利用極高元素敏感性的飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)鎳基超導(dǎo)外延薄膜中存在大量的氫元素，而且氫元素自始至終存在于薄膜晶格外延生長(zhǎng)和拓?fù)浠瘜W(xué)還原的過程中，并進(jìn)一步確定了氫元素在材料內(nèi)部的原子占據(jù)位置。

　　2021年11月，喬梁團(tuán)隊(duì)確定了調(diào)控還原時(shí)間的本質(zhì)就是調(diào)控氫元素。時(shí)間延長(zhǎng)，氫元素就多，反之亦然。

　　在極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)輸運(yùn)性質(zhì)研究中，喬梁發(fā)現(xiàn)，在鍶含量不變的情況下，通過調(diào)控氫元素的含量，可以實(shí)現(xiàn)“弱絕緣→超導(dǎo)→弱絕緣”的連續(xù)相變，說明氫元素的確對(duì)超導(dǎo)電性的出現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。

　　但喬梁又提出了一個(gè)問題：為什么調(diào)控氫元素會(huì)對(duì)超導(dǎo)電性產(chǎn)生影響？氫元素到底產(chǎn)生了怎樣的作用？

　　紡錘形“小包”的發(fā)現(xiàn) 

　　在此之前，喬梁團(tuán)隊(duì)與英國(guó)鉆石光源的周克瑾合作，通過基于同步輻射的共振X射線非彈性散射（RIXS）技術(shù)和電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，研究了鎳基超導(dǎo)體費(fèi)米面附近的電子結(jié)構(gòu)。

　　喬梁在超導(dǎo)樣品的RIXS圖中，觀察到一個(gè)紡錘形的“小包”。他對(duì)比了其他幾項(xiàng)類似研究，都沒出現(xiàn)過這種電子軌道。喬梁起初懷疑是測(cè)定有失誤，但不知如何解釋。

　　之后，團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)了氫的存在，才開始考慮是否可以找到氫存在的電子態(tài)證據(jù)。此時(shí)，喬梁又想起了那個(gè)懸而未決的“小包”之謎。

　　喬梁再次仔細(xì)查閱和自己做了類似RIXS實(shí)驗(yàn)的其他已發(fā)表的文章，發(fā)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)中其實(shí)隱約出現(xiàn)過類似的“小包”，只不過被研究人員忽略了。

　　喬梁設(shè)想，假定“小包”就是理論預(yù)言的IIS軌道，從這個(gè)思路對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反推看能否成立，說不定有助于解釋氫元素與IIS軌道的關(guān)系，及其對(duì)超導(dǎo)的影響。

　　“根據(jù)對(duì)銅基材料研究的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)超導(dǎo)起著決定性作用的是金屬元素的3d軌道。”喬梁解釋說，在鎳基超導(dǎo)體中，其費(fèi)米面附近的電子結(jié)構(gòu)中，IIS、Ni3d、Nd5d等軌道之間存在較強(qiáng)的相互作用。因此，IIS軌道的強(qiáng)烈吸引導(dǎo)致費(fèi)米面附近Ni3d軌道的有效占據(jù)減少，喪失了超導(dǎo)能力。

　　“氫元素的加入，填滿了軌道空隙，如一只無形的手，導(dǎo)致IIS軌道沒法‘拖拽’Ni3d軌道，產(chǎn)生了類似于銅基超導(dǎo)的費(fèi)米面電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)超導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)。”喬梁和理論合作者黃兵討論后認(rèn)為，如果氫元素超過一定數(shù)量，反而會(huì)進(jìn)一步改變Ni3d軌道極化情況，也不利于實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

　　2022年3月，合作團(tuán)隊(duì)最終刻畫出“軌道污染”和“軌道純化”競(jìng)爭(zhēng)的示意圖，并于4月完成了文章初稿，交稿后，審稿人評(píng)價(jià)其“極具創(chuàng)新性”。

　　回顧整個(gè)過程，喬梁認(rèn)為，此次研究改變了科學(xué)家對(duì)鎳基超導(dǎo)材料的基本認(rèn)知，并提供了一個(gè)更為準(zhǔn)確和合理的物理模型。研究結(jié)果可以解釋為何僅有少數(shù)課題能成功制備零電阻鎳基超導(dǎo)樣品，因?yàn)槎鄶?shù)研究忽視了氫元素對(duì)超導(dǎo)的影響，沒有控制這個(gè)關(guān)鍵因素。

　　“但提高對(duì)氫元素控制的精確度和可重復(fù)性還是比較難。我們的研究只是拋磚引玉，提供了一個(gè)方向。”喬梁說。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05657-2