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科学封面(第22期)—— PNAS | 深夜实验室,浙大科学家发现重费米子超导的新特性

科学封面(第22期)—— PNAS | 深夜实验室,浙大科学家发现重费米子超导的新特性

编辑:xdx 来源:浙江大学 时间:2018年06月08日 访问次数:1106  源地址

图:考眼力,找不同。左右两朵“花”有什么不一样? 


重费米子超导发现者、德国物理学家Frank Steglich教授十分牵挂正在浙江大学进行的一项实验:关联物质研究中心/物理系袁辉球团队将CeCu2Si2(铈铜硅合金)放到特殊的实验装置中,并将温度下降到50mK (毫开尔文)以下,测量该超导材料的磁场穿透深度随温度的变化。对于一次次的实验结果,Steglich教授和课题组成员一样,从怀疑、困惑到欣喜:在极低温条件下,他们看到了与早期实验结果不同的现象,并提出了一种新的超导配对态。

图:基于隧道二极管共振技术的磁场穿透深度测量装置


相关研究论文“Fully gapped d-wave superconductivity in CeCu2Si2(CeCu2Si2:能隙完全打开的d波超导体)”于5月8日在线发表在《美国科学院院刊》(PNAS)。评审专家认为,浙江大学的这项研究提出了一种精妙的理论模型,合理地解释了重费米子超导体CeCu2Si2中存在的看似矛盾的实验结果,将在学界产生广泛影响。

01

经典理论遇到局限

人类首次发现超导现象是在1911年,荷兰科学家昂尼斯发现把汞冷却到4.2开尔文时(约零下269摄氏度),电阻突然消失了。利用超导零电阻和抗磁性两种特性,超导材料目前已在磁共振成像、超导磁悬浮列车等方面得到了应用。

研制出室温超导是科学家们的终极梦想。“但目前科学界对高温超导等非常规超导现象的形成机理还没有统一的认识,通常是理论‘追赶’实验。”袁辉球说,科学家往往在一个比较偶然的情况下发现一类新型超导材料,再对这种材料的超导机理进行研究,以期研制出临界转变温度更高的超导体。

对于早期发现的超导体,经典的BCS理论基本可以解释。BCS理论的核心是晶格畸变诱导电子形成“库珀对”。导电的本质是电子流的传输,电子流在通过导体时,一般情况下会和原子进行碰撞,产生能量损耗。但在超导体中,不会出现这类能量损耗。原本相斥的电子,在进入超导态时成双成对地形成了空间相干的“电子对”,快速有序地经过原子“阵列”。“在超导体中,电子的运动就像在高速公路上,畅通无阻。”袁辉球形象地比喻。  

这一超导理论在1979年受到了挑战。当年,在德国达姆施塔特工业大学执教的Frank Steglich教授发现了世界上第一个重费米子超导体——CeCu2Si2。之所以叫“重”费米子超导体,因为这类材料形成超导的准粒子的有效质量很大,大概为自由电子的1000倍,“你可以想象,一个大个头在人群中移动,或者一个人带着一群人一起走,移动势必会比较迟缓。”袁辉球说,在这样的条件下,超导现象又是如何产生的?这是传统BCS理论无法给出解释的。况且,在这类材料中,超导的出现通常与磁性紧密相关,这也是常规BCS超导所不能解释的。因此,科学家把重费米子超导体和之后发现的铜氧化合物高温超导体和之后发现的铜氧化合物高温超导体和铁基高温超导体等都列为非常规超导体。

02

深夜实验直面争议

CeCu2Si2的发现开启了非常规超导研究。但30多年过去,关于这类超导的形成机理仍然扑朔迷离、争议不断。包括CeCu2Si2发现者Frank Steglich在内的全球科学家,都在密切关注着这一领域的理论与实验发展。浙大关联物质研究中心的袁辉球课题组是其中的一个团队。他们在紫金港校区东四教学楼,用了2年时间搭建起了一个极低温实验平台,并设计制作了一个基于遂道二极管的磁场穿透深度测量装置。“利用这套装置,我们可以精确测量磁场穿透深度随温度的依赖关系,为超导能隙结构以及相应的超导配对对称性提供重要物理信息”,袁辉球说。

极低温的磁场穿透深度测量并非易事。测量过程中,研究人员需要对不同部件的温度进行严格控温,任何机械和电磁扰动都可能导致噪音的提升而影响实验结果。博士生庞贵明说:“白天实验室外人来人往的跑动经常影响实验测量,所以很多实验都是在夜深人静的时候进行”。

图:常规d-波超导配对

        

当超导体的温度低于超导转变温度时,配对的超导电子会在费米面附近打开一个能隙。能隙结构的对称性是研究超导机理的一个重要物理量。一般而言,常规超导体属于s-波超导,其能隙具有各向同性,不存在闭合的能隙节点。科学界先前认为,重费米子超导体CeCu2Si2属于d-波超导,其超导能隙在某些方向消失,存在能隙节点(如上图所示)。然而,最近日本科学家的一项低温比热测量研究表明,CeCu2Si2没有能隙节点,表现出类s-波超导的性质。这一发现颠覆了人们对重费米子超导的一些传统认识,引起了很大的争议。

03

解决争议

为了进一步澄清这一实验现象,袁辉球课题组测量了CeCu2Si2在极低温条件下的磁场穿透深度。他们发现,CeCu2Si2的磁场穿透深度在0.1K以上随温度基本上是线性变化的,但随着温度进一步下降,磁场穿透深度慢慢变平,呈现出指数依赖关系,从而证实其超导能隙无节点。当他们将磁场穿透深度换算成超流密度时,发现高温区间的超流密度可以很好地由常规d-波超导模型来拟合,而低温却与s-波超导相符。

CeCu2Si2在极低温表现出的不同的行为,课题组一开始以为是实验的误差,“但是一次次重复实验使我们确信,这是一个本征的现象。”袁辉球说。

图:两能带d-波混合超导配对

        

针对这一独特实验结果,袁辉球教授团队与美国赖斯大学斯其苗教授(浙江大学长江讲座教授)合作,提出了一种新的超导配对态,即基于两能带的d+d波混合超导配对。在该模型中,带内电子和带间电子具有不同形式的d-波超导配对对称性。如上图所示,d+d波超导的能隙结构整体上看起来与常规d波超导非常相似,不同之处在于其能隙完全打开。也就是说,这个类材料本质上仍属于d波超导,但由于两能带的作用,其超导能隙完全打开而没有能隙节点。该理论模型可以很好地拟合实验得到的超流密度和比热随温度的变化,并且与先前实验中观察到的d-波超导性质相符,从而完美地解释了所有实验结果。

图:从左到右分别为:博士后Michael Smidman,博士生庞贵明,袁辉球教授

        

博士研究生庞贵明为论文第一作者,袁辉球教授为论文通讯作者,合作单位包括美国赖斯大学、德国马普固体化学物理研究所和奥格斯堡大学等科研院所。该项研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金委、国防基础科研科学挑战专项以及中德科学中心合作小组项目的资助。


论文链接:www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1720291115



        文 | 周炜

        编辑 | 周炜

        摄影 | 卢绍庆

        部分图片来自网络。研究图来自课题组。


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