每秒100萬億幀!人類拍到電子隨原子起舞“電影”
中國在鐵基高溫超導領域的突破曾震驚世界,但在這些材料上,為何會出現(xiàn)如此奇妙的現(xiàn)象,人類現(xiàn)有的理論尚不能完全解釋。近日,斯坦福大學的科學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”的動態(tài)畫面。這種電子和原子之間的耦合作用,比之前人們認為的強10倍。這暗示著,高溫超導還可能有很大的突破空間。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201707/361863.htm領導該工作的美國SLAC國家加速器實驗室首席科學家、美國國家科學院院士沈志勛,向澎湃新聞(www.thepaper.cn)介紹這個發(fā)表在上周的《科學》期刊上的成果:“我們相當于給原子和電子們拍了一段每秒100萬億幀的視頻,同時空間分辨率達到頭發(fā)絲的十億分之一。而好萊塢影片一般是每秒60幀。”
我們當然不能像看好萊塢影片一樣,常規(guī)地通過屏幕觀看這種每秒100萬億幀的動態(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畫。
硒化鐵材料中,電子隨著原子“起舞”的模擬動畫
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,能幫助科學家們尋找到更理想的材料。就高溫超導而言,相關材料可被廣泛應用于核磁共振成像、磁懸浮、量子計算等領域。
非傳統(tǒng)超導體
超導是20世紀最重要的科學發(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,電阻突然消失的現(xiàn)象。1913年,荷蘭科學家翁內斯(Onnes)憑借發(fā)現(xiàn)汞在液氦溫度下的超導性,獲得諾貝爾物理學獎。而不斷提高超導的臨界溫度,也成了后繼科學家們的奮斗目標。一百年來,有近20位科學家因在超導及相關領域的研究突破而獲得諾貝爾物理學獎。
那么,超導現(xiàn)象是如何產生的呢?通常情況下,電子在定向運動時會與金屬晶格碰撞,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量的電子對通過與晶格振動聲子的交換作用,互相吸引,形成庫珀電子對。而這個庫珀對的大規(guī)模集結可以在晶格中無阻礙傳輸。臨界溫度的存在,則是因為較高溫度下更強的晶格振動,給庫珀對造成破壞。三人也因此榮獲1972年的諾貝爾物理學獎。
不過,BCS理論并不能解釋所有的超導現(xiàn)象。硒化鐵就是一種超出BCS理論的“非傳統(tǒng)超導體”,能在極端低溫下實現(xiàn)超導。2012年,中國的一個研究團隊發(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。雖然這個溫度(零下213攝氏度)依然很低,但已足夠歸入“高溫超導”的隊列。
兩種攝像頭
沈志勛的團隊注意到了硒化鐵這種非傳統(tǒng)超導體。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,傳遞到了硒化鐵中,并給電子提供了額外的能量,以強化庫珀對。
這次,沈志勛團隊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。
在固體物理學的概念中,結晶態(tài)固體中的原子按一定的規(guī)律排列在晶格上。只不過,這些原子并非靜止不動,而是圍繞其平衡位置不斷振動。此外,原子之間也存在相互作用力,使得原子的振動并非相互獨立,就像由彈簧連接而成。實驗中的紅外激光,起到的作用就是“推”動這些彈簧振動。
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
他們再結合自由電子激光(XFEL)和時間分辨ARPES這兩個超快“攝像頭”,在兩個獨立的實驗中分別將原子和電子的實時運動拍了下來。
首先,研究人員通過超快X射線衍射圖像,確定原子的位移情況。接著,他們通過真空紫外“打”出電子,記錄電子能帶結構的變化。
通過這兩個“攝像頭”,研究人員發(fā)現(xiàn)上述兩個變化的頻率是相符合的,也就是說,原子和電子踩著同樣的歩點“起舞”。
這項研究并不能直接證明,原子和電子之前的強耦合作用,就是硒化鐵的超導秘笈。但它離開基于理論的猜想,實踐了純實驗的研究。
未參與這項研究的美國芝加哥大學科學家伽利(Giulia Galli)評價道,硒化鐵這種材料固然十分重要,許多人想窮究其理,但這項實驗采用的方法,即能夠實時測量電子和原子間的相互作用,是一個突破。這對材料研究至關重要。未來,通過給材料拍更多的超快“電影”,科學家們可以驗證許多理論。
中國也將建成可以給原子“拍電影”的光源
實驗使用的光源LCLS(直線加速相干光源),屬于“第四代光源“——自由電子激光,隸屬美國能源部,由斯坦福大學經營。目前,LCLS正在經歷一次價值10億美元的升級,預計于2019年完成。
今后,沈志勛的團隊將繼續(xù)用這種超高精度、超高速的“超微相機”研究原子和電子之間的互動,首先“拍攝”的主角就是銅基高溫超導材料,他告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn)。升級后的LCLS將大大推進研究進度,亮度和效率會提高1000倍。
沈志勛和ARPES設備
中國首臺“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提高10億到100億倍,脈沖長度可達到飛秒量級(1秒的1000萬億分之一)。可以說,第三代光源只能“拍照片”,而第四代光源才可以“拍電影”。
正如國際科學界的通行做法,上海X射線自由電子激光在建成后將面向全球開放。沈志勛介紹道,目前LCLS的國際用戶就比美國用戶還要多。當被問及他是否也會成為上海X射線自由電子激光的用戶,沈志勛說道:“如果能夠申請到機時,我們就會來上海參加用戶實驗。當然我們必須有好的想法,才能夠在激烈的競爭中申請到機時。”
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