最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心利用材料基因工程“連續(xù)組分外延薄膜與匹配的跨尺度表征技術(shù)”，獲得了奇異金屬散射（線性電阻斜率A₁）與高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c）之間的普適物理規(guī)律（A₁^0.5~T_c）。這一規(guī)律揭示了非常規(guī)超導(dǎo)與奇異金屬態(tài)這兩大跨世紀(jì)難題的共同驅(qū)動(dòng)機(jī)制，走出高溫超導(dǎo)“量變導(dǎo)致質(zhì)變”的關(guān)鍵一步。相關(guān)成果2月17日在《自然》雜志發(fā)表【Nature 602, 431，2022】。

　　超導(dǎo)自誕生至今已有110年的研究歷史，早期的超導(dǎo)研究集中在傳統(tǒng)金屬及合金中，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度通常較低（小于30 K）。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上，超導(dǎo)體處于正常態(tài)，跟普通金屬性質(zhì)相似。1957年，Bardeen、Cooper、Schrieffer（BCS）在同位素效應(yīng)的啟發(fā)下，首次構(gòu)建了以聲子為媒介的電子配對(duì)圖像，成功地解釋了傳統(tǒng)金屬及合金中的超導(dǎo)電性。基于BCS電聲耦合機(jī)制，常壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度存在一個(gè)約為40 K（約零下236攝氏度）的上限即McMillan極限。

　　1986年發(fā)現(xiàn)的銅氧化物超導(dǎo)家族，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突破McMillan極限，常壓下最高到達(dá)135K。已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)高溫超導(dǎo)體中同樣存在電子配對(duì)，但不同于電聲子配對(duì)機(jī)制，高溫超導(dǎo)體廣泛被認(rèn)為來源于電子間關(guān)聯(lián)相互作用，被稱為非常規(guī)超導(dǎo)體。經(jīng)過30多年的研究，高溫超導(dǎo)機(jī)理仍未達(dá)成共識(shí)，成為凝聚態(tài)物理研究中的跨世紀(jì)難題。究其原因，高溫超導(dǎo)體系的復(fù)雜性使得研究者對(duì)決定其轉(zhuǎn)變溫度的重要物理量實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)仍然不足，尚不能啟發(fā)理論突破。

　　隨著研究不斷深入，越來越多的證據(jù)表明高溫超導(dǎo)的奧秘可能存在于產(chǎn)生超導(dǎo)的正常態(tài)當(dāng)中。對(duì)于銅氧化物超導(dǎo)體，當(dāng)溫度升至超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以上，其電阻率ρ隨溫度T表現(xiàn)出線性依賴（即Δρ=A₁T）的“奇異金屬”行為，與常規(guī)金屬的費(fèi)米液體平方關(guān)系（Δρ=A₂T²）相悖，成為高溫超導(dǎo)體正常態(tài)中最為“不正常”的特性。同高溫超導(dǎo)的機(jī)理一樣，奇異金屬行為的微觀起源也是凝聚態(tài)物理的一大未解之謎。已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，奇異金屬態(tài)與高溫超導(dǎo)相輔相成，因此揭示它們之間的內(nèi)在量化聯(lián)系有望為進(jìn)一步揭示高溫超導(dǎo)機(jī)理提供重要線索。

　　中科院物理所研究員金魁帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)揮超導(dǎo)單晶薄膜和超導(dǎo)組合薄膜技術(shù)特色，長期深入研究一類關(guān)鍵高溫超導(dǎo)體系La_2-xCe_xCuO₄（LCCO，唯一覆蓋全超導(dǎo)摻雜區(qū)的電子型高溫超導(dǎo)體系，但只能以單晶薄膜的形式穩(wěn)定存在）。2011年，金魁及合作者基于數(shù)年努力獲得的系列高質(zhì)量單組分LCCO超導(dǎo)單晶薄膜，首次獲得完整的電子摻雜銅氧化物過摻雜區(qū)域相圖，發(fā)現(xiàn)了該體系異于反鐵磁自旋漲落的第二量子臨界點(diǎn)。

　　他們通過研究LCCO薄膜低至20 mK的正常態(tài)輸運(yùn)特性，發(fā)現(xiàn)奇異金屬散射率A₁與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c呈正關(guān)聯(lián)，暗示奇異金屬態(tài)與高溫超導(dǎo)存在某種內(nèi)在聯(lián)系。然而，受組分控制精度限制，使用傳統(tǒng)的單點(diǎn)研究模式難以得到足夠數(shù)量的高精度數(shù)據(jù)，這使得獲取兩者之間的定量化規(guī)律成為一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。

　　該團(tuán)隊(duì)歷時(shí)多年創(chuàng)造性地將材料基因工程的理念和核心技術(shù)引入超導(dǎo)研究，針對(duì)高溫超導(dǎo)材料特點(diǎn)不斷發(fā)展高通量制備與跨尺度快速表征技術(shù)，推進(jìn)材料基因計(jì)劃與超導(dǎo)研究的深度交叉融合，開創(chuàng)了獨(dú)具特色的高通量超導(dǎo)研究范式。

　　2017年，團(tuán)隊(duì)首次利用組合激光分子束外延技術(shù)在1 平方厘米單晶襯底上成功制備出沿一個(gè)方向具有連續(xù)化學(xué)組分梯度（0.10≤x≤0.19）的單一取向La_2-xCe_xCuO₄高通量薄膜，其兩端組分分別對(duì)應(yīng)于最佳超導(dǎo)摻雜（x = 0.10）和費(fèi)米液體金屬（x = 0.19）。

　　在此基礎(chǔ)上，結(jié)合團(tuán)隊(duì)發(fā)展的從毫米到微米的跨尺度結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)表征技術(shù)，將物性分辨率提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)（至萬分之一），從而精確地確定了量子臨界組分x_c。通過國際合作在美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室同步輻射光源完成微米量級(jí)的X射線結(jié)構(gòu)分析。

　　傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法三年時(shí)間只有個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)，而基于新一代全流程高通量實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成功在數(shù)月時(shí)間積累足夠數(shù)量的可靠數(shù)據(jù)，并首次觀察到了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c、相對(duì)摻雜組分(x-x_c)與奇異金屬散射率A₁三者之間的定量化規(guī)律T_c ~ (x-x_c)^0.5 ~ A₁^0.5。更重要的是，從LCCO中獲得的T_c ~ A₁^0.5規(guī)律可推廣至空穴型銅氧化物、鐵基超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體等非常規(guī)超導(dǎo)體系，具有普適性，表明奇異金屬態(tài)與非常規(guī)超導(dǎo)態(tài)有共同的驅(qū)動(dòng)因素。

　　這一工作是材料基因計(jì)劃與超導(dǎo)研究的深度交叉融合產(chǎn)生的高通量超導(dǎo)研究范式的成功案例。兩名國際審稿人將該團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)的“連續(xù)組分外延薄膜與匹配的跨尺度表征技術(shù)”加速高溫超導(dǎo)定量化物理規(guī)律探索的新型研究范式評(píng)價(jià)為“tour de force”（絕技）。銅氧化物高溫超導(dǎo)體中還有更多的量化規(guī)律有待發(fā)掘，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)發(fā)展和使用新一代高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)，系統(tǒng)探索產(chǎn)生高溫超導(dǎo)電性的其他關(guān)鍵因素，同時(shí)在物理所懷柔材料基因平臺(tái)單晶薄膜實(shí)驗(yàn)站推廣該實(shí)驗(yàn)技術(shù)至其他量子材料體系。

　　該工作是在中科院院士趙忠賢建議下，由金魁構(gòu)思并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)，物理所特聘研究員蔣坤、研究員楊義峰、胡江平、向濤提供理論支持，特聘研究員程智剛協(xié)助低溫測試、美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室研究員Tamura和馬里蘭大學(xué)教授Takeuchi幫助同步輻射結(jié)構(gòu)表征。金魁團(tuán)隊(duì)主任工程師袁潔和特聘研究員陳其宏為并列第一作者，多名博士后、研究生和已畢業(yè)博士生參與貢獻(xiàn)。胡江平、Takeuchi和金魁為共同通訊作者。

　　以上工作得到國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃以及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、前沿重點(diǎn)項(xiàng)目和創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)的支持。