理解氧化铜高温超导性的关键线索:电子自旋！

引言

最近，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室提供了一条线索，揭示了氧化铜非凡的高温超导特性。令人惊讶的是，答案来自电子自旋背景

超导是一种非常奇怪的物理现象，也是上个世纪最伟大的科学发现之一。

什么是超导？

超导性，通称“超导性”，是指当温度下降到某一临界温度(通常是很低的温度)时，某些物质的电阻下降到零的特性具有超导性质的材料被称为“超导体”或“超导材料”

1911年，荷兰物理学家赫·卡莫伦·阿格尼斯发现，当水银的温度在4.2K(-268.98℃)左右时，它的电阻非常小，实际上无法测量(或几乎为零)。这时，水银实际上变成了超导体。后来，他发现许多其他金属和合金也具有超导性。阿格尼斯因其发现获得了1913年诺贝尔奖如今，超导体已经广泛应用于人类生产和生活的各个领域。“零电阻损耗”使超导体能够用于节能输电线和储能装置；“特殊的磁现象”(磁屏蔽和磁悬浮)使超导体能够用于核磁共振扫描仪和悬浮列车等设备。

超导体引起的磁悬浮现象(图片来源:维基百科)

在这里，我们需要特别注意:4.2K是一个非常低的温度，非常接近绝对零度长期以来，这种极低的温度条件极大地限制了超导体的应用。

| 1986年1月，在瑞士苏黎士美国国际商业机器公司实验室工作的科学家伯努兹和缪勒首次发现钡镧氧化铜是一种高温超导体，将超导温度提高到30K。这一突破性发现导致了一系列氧化铜高温超导体的发现。贝尔纳茨和缪勒也因此获得了1987年诺贝尔物理学奖。

| 1987年初，吴茂坤(朱经武)和赵忠贤宣布通过元素置换发现90K钇钡铜氧化物超导体，首次突破了液氮(77K)的温度屏障。这种超导体通常被称为高温超导体，因为它们的临界温度高于液氮温度(77K)自

年以来，世界范围内掀起了探索新型高温超导体的热潮。1987年底，中国学者郑铮等人首次发现了第一个不含稀土的铊钡铜氧化物高温超导体。1988年初，日本开发了一种铋锶钙铜氧化物超导体，其临界温度为110，110K1988年2月，盛正毅等人进一步发现了125千铊钡钙铜氧化物超导体。1993年，法国科学家发现了135千汞钡钙铜氧化物超导体。从那以后，高温超导体的温度记录不断被刷新。

，但是，有一个问题几十年来，研究人员一直对某些铜氧化物(铜酸盐)在100K以上的温度下的超导性感到困惑。

创新

今天，作者将要介绍的研究有助于我们揭开迷雾，更深入地了解氧化铜高温超导体的超导特性。

最近，美国能源部劳伦斯·伯克利实验室提供了一条线索来揭示氧化铜的非凡特性。令人惊讶的是，答案来自电子自旋他们描述这一发现的论文发表在《科学》杂志上。

技术

每个电子就像一个微型磁铁，指向一个特定的方向然而，大多数超导材料似乎都遵循其内部“罗盘”指示的方向。它们的电子自旋不指向同一个方向，而是随机指向不同的方向:有些“向上”，有些“向下”

如下图所示:通过SARPES技术带来的自旋分辨率，伯克利实验室的研究人员揭示了Bi-2212在以前的研究中没有引起注意的磁性。

(照片来源:肯尼斯·戈特利布、林超云等/伯克利实验室)

科学家在开发各种新材料时，通常需要检查材料的电子自旋或“电子取向”然而，当谈到超导体的制造时，凝聚态物理学家并不专注于自旋，因为他们总是认为“这些材料的独特性质只能由两个电子通过所谓的‘电子关联’相互作用而形成”"

。然而，当伯克利实验材料科学系的科学家、加州大学伯克利分校的物理学教授亚历山德拉·兰扎拉(Alessandra Lanzara)带领研究小组通过使用一种独特的探测器和一种被称为“自旋和角度分辨光电子能谱”的强大技术来测量独特的氧化铜超导体“Bi-2212(铋、锶、钙和氧化铜)”时，他们发现了与以前的观点相反的东西:材料中有一种独特的电子自旋模式

如下图所示:由伯克利实验室的Alessandra Lanzara(左二)领导的团队使用SARPES探测器揭示了氧化铜高温超导体中电子自旋的独特模式。这篇论文的主要作者包括肯尼斯·戈特利布(右二)和林超云(右一)这篇论文的共同作者还包括伯克利实验室高级光源的克里斯·乔兹维克(左一)

(照片来源:彼得·达席尔瓦/伯克利实验室)

兰扎拉说:“换句话说，我们发现每个电子根据其动量指向一个明确的方向，这也叫自旋动量锁定。”在高温超导体中发现这种特性是一个很大的惊喜。“

在超导体的世界里，“高温”意味着材料在高于预期的温度下(但仍然是零度以下的极冷温度)可以零电阻导电这是因为超导体需要变得非常冷，以便在没有电阻的情况下输送电能。在低温条件下，电子可以彼此同步运动，不会被“摇动”的原子碰撞而产生阻力。肯尼斯·戈特利布是

论文的合著者之一，同时也是兰扎拉实验室的博士生，他说，然而，氧化铜是这种特殊的高温超导材料中最好的，所以研究人员可以相信，氧化铜有望成为一种新材料，用于建造超级节能电线，它可以传输电力，而电子动量损失为零。理解为什么以Bi-2212为代表的特殊氧化铜超导体能在高达133千的温度下工作，将使高温超导器件变得更容易实用。

Gotley说，在凝聚态物理学家研究的这些非常奇怪的材料中，电子的相互作用给包括超导体在内的这些新材料带来了新的特性。当科学家研究氧化铜超导体时，他们总是只关注一种相互作用:电子关联

，然而，在这些奇特的材料中发现了另一种电子相互作用:“自旋轨道耦合”这样，电子的磁矩与材料中的原子相互作用林超云，

论文的合著者之一，伯克利实验室材料科学系的研究员，加州大学伯克利分校物理系的博士生，说在氧化铜超导体的研究中自旋轨道耦合效应经常被忽略，因为许多人认为电子相互作用与电子关联相比显得很弱。林说，当他们发现这种不寻常的自旋模式时，尽管他们对最初的发现感到惊喜，但他们仍然不确定这是作为Bi-2212材料的固有特性的“真”还是作为实验中激光与材料相互作用引起的外部效应的“真”。

通过近三年的研究，戈特利布和林使用SARPES探测器在兰扎拉的实验室里完整地描述了自旋模式。当他们需要更高的光子能量来激发样品中更大范围的电子时，研究人员将探测器移至附近伯克利实验室的同步加速器，这是美国能源部科学用户设施办公室的先进光源。先进的光源擅长研究低能量“软”x光材料的特性。

SARPES探针由兰扎拉、前生命科学部副主任扎希德·侯赛因和生命科学部科学家克里斯·乔兹维克共同开发。探测器使科学家能够探测电子的关键特征，如价带结构。林超云，

论文的共同主要作者之一，通过中国农业科学研究院探测器的观察窗向里看。该探测器使伯克利实验室的科学家能够探测电子的关键特征，如价带结构。

(照片来源:彼得·达希尔瓦/伯克利实验室)

在研究小组将SARPES探测器与束线10.0.1连接之后，在ALS进行了几十次实验之后，他们能够通过获得这种强有力的光来探索电子的自旋。

值

。这些电子运动可以以比它们在实验室中获得的光更高的动量穿过超导体。他们发现Bi-2212独特的自旋模式，也称为“非零自旋”，是一个真实的结果，这激励他们问更多的问题。林说:“高温超导领域还有许多问题没有解决。”我们的工作为更好地理解氧化铜超导体提供了新的知识，这将成为解决这些问题的基础。“

兰扎拉补充说，如果没有伯克利实验室团队的合作，他们不会有这个发现。她说:“这项研究是一个典型的案例。这表明不同学科专家的合作将促进科学进步，以及新仪器和设备如何促进科学发展。”"

关键词

超导、自旋电子学、高级光源

参考

[1]https://newscenter.lbl.gov/2019/01/03/揭示-隐藏-自旋-解锁-新路径-走向-高温-超导体/

【2】肯尼斯·戈特利布、林超云、马克西姆·谢尔宾、张文韬、克里斯托弗·斯莫尔伍德、克里斯托弗·乔兹维亚克、Hiroshi Eisaki、扎希德·侯赛因、阿什文·维斯瓦纳特、亚历山德拉·兰扎拉。揭示高温铜酸盐超导体中隐藏的自旋动量锁定。科学，2018年；362(6420):1271 DOI:10.1126/science . AAO 0980