每秒100萬(wàn)億幀！人類(lèi)拍到電子隨原子起舞“電影”

　　中國(guó)在鐵基高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的突破曾震驚世界，但在這些材料上，為何會(huì)出現(xiàn)如此奇妙的現(xiàn)象，人類(lèi)現(xiàn)有的理論尚不能完全解釋。近日，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們利用自由電子激光，“拍攝”到了硒化鐵材料中，電子隨著原子“起舞”的動(dòng)態(tài)畫(huà)面。這種電子和原子之間的耦合作用，比之前人們認(rèn)為的強(qiáng)10倍。這暗示著，高溫超導(dǎo)還可能有很大的突破空間。

　　領(lǐng)導(dǎo)該工作的美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士沈志勛，向澎湃新聞(www.thepaper.cn)介紹這個(gè)發(fā)表在上周的《科學(xué)》期刊上的成果：“我們相當(dāng)于給原子和電子們拍了一段每秒100萬(wàn)億幀的視頻，同時(shí)空間分辨率達(dá)到頭發(fā)絲的十億分之一。而好萊塢影片一般是每秒60幀。”

　　我們當(dāng)然不能像看好萊塢影片一樣，常規(guī)地通過(guò)屏幕觀看這種每秒100萬(wàn)億幀的動(dòng)態(tài)。研究人員截取了其中大約1000幀，串聯(lián)出了一段原子和電子之間耦合作用的動(dòng)畫(huà)。

　　硒化鐵材料中，電子隨著原子“起舞”的模擬動(dòng)畫(huà)

　　這種“影片”拍攝材料在原子尺度上的精彩“表演”，是一種新型的研究方法，能幫助科學(xué)家們尋找到更理想的材料。就高溫超導(dǎo)而言，相關(guān)材料可被廣泛應(yīng)用于核磁共振成像、磁懸浮、量子計(jì)算等領(lǐng)域。

　　非傳統(tǒng)超導(dǎo)體

　　超導(dǎo)是20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度以下時(shí)，電阻突然消失的現(xiàn)象。1913年，荷蘭科學(xué)家翁內(nèi)斯(Onnes)憑借發(fā)現(xiàn)汞在液氦溫度下的超導(dǎo)性，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而不斷提高超導(dǎo)的臨界溫度，也成了后繼科學(xué)家們的奮斗目標(biāo)。一百年來(lái)，有近20位科學(xué)家因在超導(dǎo)及相關(guān)領(lǐng)域的研究突破而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　那么，超導(dǎo)現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的呢?通常情況下，電子在定向運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)與金屬晶格碰撞，形成電阻。1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理論，即具有相反自旋和動(dòng)量的電子對(duì)通過(guò)與晶格振動(dòng)聲子的交換作用，互相吸引，形成庫(kù)珀電子對(duì)。而這個(gè)庫(kù)珀對(duì)的大規(guī)模集結(jié)可以在晶格中無(wú)阻礙傳輸。臨界溫度的存在，則是因?yàn)檩^高溫度下更強(qiáng)的晶格振動(dòng)，給庫(kù)珀對(duì)造成破壞。三人也因此榮獲1972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　不過(guò)，BCS理論并不能解釋所有的超導(dǎo)現(xiàn)象。硒化鐵就是一種超出BCS理論的“非傳統(tǒng)超導(dǎo)體”，能在極端低溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。2012年，中國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果把硒化鐵薄層置于鈦酸鍶(STO)基底上，就能大大提高臨界溫度。雖然這個(gè)溫度(零下213攝氏度)依然很低，但已足夠歸入“高溫超導(dǎo)”的隊(duì)列。

　　兩種攝像頭

　　沈志勛的團(tuán)隊(duì)注意到了硒化鐵這種非傳統(tǒng)超導(dǎo)體。在2014年《自然》期刊上的一篇文章中，他們就用角分辨光電子能譜(ARPES)的方法，發(fā)現(xiàn)STO基底里的原子振動(dòng)，傳遞到了硒化鐵中，并給電子提供了額外的能量，以強(qiáng)化庫(kù)珀對(duì)。

　　這次，沈志勛團(tuán)隊(duì)用紅外激光照射硒化鐵薄層，就像用一把小錘子輕輕敲了一下鐘，激發(fā)材料中的原子振動(dòng)。

　　在固體物理學(xué)的概念中，結(jié)晶態(tài)固體中的原子按一定的規(guī)律排列在晶格上。只不過(guò)，這些原子并非靜止不動(dòng)，而是圍繞其平衡位置不斷振動(dòng)。此外，原子之間也存在相互作用力，使得原子的振動(dòng)并非相互獨(dú)立，就像由彈簧連接而成。實(shí)驗(yàn)中的紅外激光，起到的作用就是“推”動(dòng)這些彈簧振動(dòng)。

　　紅外激光照射硒化鐵薄層，就像用一把小錘子輕輕敲了一下鐘，激發(fā)材料中的原子振動(dòng)

　　他們?cè)俳Y(jié)合自由電子激光(XFEL)和時(shí)間分辨ARPES這兩個(gè)超快“攝像頭”，在兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)中分別將原子和電子的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)拍了下來(lái)。

　　首先，研究人員通過(guò)超快X射線衍射圖像，確定原子的位移情況。接著，他們通過(guò)真空紫外“打”出電子，記錄電子能帶結(jié)構(gòu)的變化。

　　通過(guò)這兩個(gè)“攝像頭”，研究人員發(fā)現(xiàn)上述兩個(gè)變化的頻率是相符合的，也就是說(shuō)，原子和電子踩著同樣的歩點(diǎn)“起舞”。

　　這項(xiàng)研究并不能直接證明，原子和電子之前的強(qiáng)耦合作用，就是硒化鐵的超導(dǎo)秘笈。但它離開(kāi)基于理論的猜想，實(shí)踐了純實(shí)驗(yàn)的研究。

　　未參與這項(xiàng)研究的美國(guó)芝加哥大學(xué)科學(xué)家伽利(Giulia Galli)評(píng)價(jià)道，硒化鐵這種材料固然十分重要，許多人想窮究其理，但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)采用的方法，即能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量電子和原子間的相互作用，是一個(gè)突破。這對(duì)材料研究至關(guān)重要。未來(lái)，通過(guò)給材料拍更多的超快“電影”，科學(xué)家們可以驗(yàn)證許多理論。

　　中國(guó)也將建成可以給原子“拍電影”的光源

　　實(shí)驗(yàn)使用的光源LCLS(直線加速相干光源)，屬于“第四代光源“——自由電子激光，隸屬美國(guó)能源部，由斯坦福大學(xué)經(jīng)營(yíng)。目前，LCLS正在經(jīng)歷一次價(jià)值10億美元的升級(jí)，預(yù)計(jì)于2019年完成。

　　今后，沈志勛的團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)用這種超高精度、超高速的“超微相機(jī)”研究原子和電子之間的互動(dòng)，首先“拍攝”的主角就是銅基高溫超導(dǎo)材料，他告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn)。升級(jí)后的LCLS將大大推進(jìn)研究進(jìn)度，亮度和效率會(huì)提高1000倍。

　　沈志勛和ARPES設(shè)備

　　中國(guó)首臺(tái)“第四代光源”正在上海張江醞釀。比起現(xiàn)有的第三代同步輻射光源“上海光源”，第四代X射線自由電子激光的峰值亮度會(huì)提高10億到100億倍，脈沖長(zhǎng)度可達(dá)到飛秒量級(jí)(1秒的1000萬(wàn)億分之一)。可以說(shuō)，第三代光源只能“拍照片”，而第四代光源才可以“拍電影”。

　　正如國(guó)際科學(xué)界的通行做法，上海X射線自由電子激光在建成后將面向全球開(kāi)放。沈志勛介紹道，目前LCLS的國(guó)際用戶就比美國(guó)用戶還要多。當(dāng)被問(wèn)及他是否也會(huì)成為上海X射線自由電子激光的用戶，沈志勛說(shuō)道：“如果能夠申請(qǐng)到機(jī)時(shí)，我們就會(huì)來(lái)上海參加用戶實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然我們必須有好的想法，才能夠在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中申請(qǐng)到機(jī)時(shí)。”