如同电影《阿凡达》中自由漂浮的山，在未来某天，人们能在室温下实现超导吗？这不是“天方夜谈”，而是科学家们正在探索的、未来可能实现的科研课题。
磁悬浮列车、核磁共振仪、超导电缆、超导变压器……这些都是材料的超导性在生活中的应用。
1986 年，IBM 设立在瑞士苏黎世的实验室首次在铜基陶瓷绝缘体中掺杂其它物质实现超导，被视为“对超导里程碑式的研究突破”。再到 2011 年，铁基超导首次被日本科学家发现。
2019年，斯坦福大学在镍基氧化物中实现了超导。
科学家在不断研究现有超导材料机理的同时，也在尝试将这些机理扩展到对新颖材料的研制中。
近日，英国钻石光源（Diamond Light Source）的首席束线科学家周克瑾博士团队在超导材料领域又有新进展[1]。该团队在无限层镍基氧化物超导体中发现了磁激发，并测量出电荷密度波，为了解镍基超导体的起源以及超导机理奠定了良好的基础。
（来源：Pixabay）
选择 RIXS 作为研究技术
X 射线散射技术是强有力的探测材料性质的实验手段，周克瑾博士带领课题组，选择入射能量为 0.4-20keV、能量转移的范围为 0.01-10eV 的共振非弹性 X 射线散射（RIXS，Resonant inelastic X-ray Scattering）技术。
图 | X 射线散射技术（来源：周克瑾）
“这对于研究固体材料，特别是纳米厚度的薄膜态先进材料的低能集体激发性质，具有更强的针对性。”周克瑾说。
图 | 钻石光源（Diamond Light Source）（来源：周克瑾）
钻石光源的 RIXS 实验设备可将高能的 X 射线纯化并聚焦，形成微小椭圆形高强度、高纯净度的 X 射线光斑（水平方向 30μm，垂直方向 2μm）。而高纯净度的光斑的作用是，可将固体材料最内部原子核附近的某些电子打入真空。最终，其它电子会填充进空穴能级，同时发出 X 射线荧光。
图 | RIXS 的散射过程（来源：周克瑾）
该仪器对散射出的 X 射线能分辨出能量和动量。通过出射光与入射光的能量与动量差别，可反映出材料微观的电子态信息，而这些信息与材料的宏观性质相关。周克瑾解释道：“绝缘性、导电性及超导性息息相关。我们正是用此原理，对目标材料性质进行研究。”
测出无限层 NdNiO2 镍基超导材料中的电荷密度波
在材料科学中，人们一直致力于重现材料的超导性。为此，周克瑾与电子科技大学合作，用 RIXS 成功观察到无限层镍酸盐（NdNiO2）薄膜中的电荷密度波，在镍基超导体中重现了广泛存在于铜基超导体的有序电子态。
近日，相关论文以《无限层 NdNiO2 镍基超导体中的电荷密度波》（Charge density waves in infinite-layer NdNiO2 nickelates）为题，发表在 Nature Materials 上[2]。
（来源：Nature Materials）
在研究的初始研究阶段，材料获取、研究难度、测量手段都让研究变得“困难重重”。
具体来说，无限层 NdNiO2 镍基薄膜材料仅 10 纳米厚，处于原子量级，因此难以获取。并且，全世界只有不超过十个课题组可以真正生成高质量镍基薄膜超导氧化物。除此之外，测定该种材料的电荷密度波的实验手段也十分有限。
为解决材料获取难题，该团队与位于中国四川的电子科技大学合作获得了实验所需样品。从技术手段方面，RIXS 光谱可穿透深度大约在几十个纳米，可恰到好处地观测到微弱的电子信号，与材料厚度完全匹配。
图 | 母体 NNO2 中的电荷密度波（来源：Nature Materials）
图 | NdNiO2 和超导 Nd0.8Sr0.2NiO2 中的电荷密度波（来源：Nature Materials）
在该研究中，周克瑾团队对电荷密度波的机理做出了详细的分解后，发现镍氧层中的电子与钕电子相互关联，会对电荷密度波起到调试作用。随着两个元素之间电子的相互作用的减弱，电荷密度波也呈减弱趋势。
“我们在母体无限层镍酸盐中观察到了很强的电荷密度波。当锶元素（Sr）的掺杂量为 20% 时，材料变为了超导体，并且电荷密度波消失了。”周克瑾说。
他们还发现，有些较长、有序的电荷密度波和超导性能够形成竞争机制。简单来说，有电荷密度波就没有超导，有超导电荷密度波就会减弱。
这种表象让周克瑾与团队想到，广泛存在于铜基氧化物超导体内超导性与电荷密度波的竞争行为。
他进一步说道：“镍酸盐拥有不同于铜酸盐的多电子轨道特性，对它们的研究可以为深入理解高温超导基本机制提供很好的例子。”
探究无限层镍基超导体的磁激发性质
镍基超导体内的电子行为、自旋相互作用与铜基氧化物是否真正完全相似？无限层镍基氧化物磁性交换强度是铜基的五分之一、十分之一，还是相比拟？
为探究无限层镍基超导体的磁激发性质，周克瑾团队与斯坦福大学合作，旨在通过实际测量，重新定义其模糊的概念。
（来源：Science）
最近，相关论文以《无限层镍酸盐的磁激发》（Magnetic excitation in infiniite-layer nickelates）为题发表在 Science 上[3]。
图 | RIXS 谱线下的磁激发（来源：Science）
无限层镍基氧化物超导体作为论文中研究的主要材料，具有与铜基氧化物相似的结构。研究人员用高强、高纯的 X 射线照射镍基化合物，并将芯能级电子打到表面导带上。此时，其它所占据的电子会跳跃下来。在这个过程中，材料的磁激发则随之衍生出来。
图 | RIXS 观察到的 NdNiO2 中磁激发能量、动量变化（来源：Science）
然后，实验对 RIXS 强度与 NdNiO2 动量、能量的关系进行了测定。RIXS 散射出来的磁激发谱的峰值位置呈现色散状态。随着动量的不断增大，能量也慢慢偏转。
图 | NdNiO2 中磁激发的色散与线性自旋波拟合（来源：Science）
周克瑾说：“有趣的是，虽然目前镍基超导体还没被证明持有长程有序的反铁磁态，但我们发现，母体材料中有很强的反铁磁性质的磁激发。”找到色散关系后，该团队对该种色散关系的数据进行拟合，随后，将磁的相互作用强度提取出来。
拟合结果表明，最临近的电子自旋相互作用强度接近 60 个豪电子伏特。这个数值大约是铜基超导氧化物的一半。
值得注意的是，镍基的色散关系与铜基近乎相同，且磁激发谱具备很清晰的峰形，这说明电子与电子之间的关联作用很强、与铜基超导体很相似。
图 | 超导 Nd1-xSrxNiO2 的 RIXS 光谱（来源：Science）
最后，课题组还观察到 NdNiO2 中磁激发的一些衍变行为。当掺杂进锶元素时，NdNiO2 就会转变为超导体，磁激发后会产生微小的变化。
任何科研成果的获得都不是一蹴而就的，无论是在镍基超导材料中发现磁激发，还是测量出电荷密度波，人们都在探究先进材料的超导性方面更近了一步。从合金超导体到目前的铜基氧化物超导体，再到镍基氧化物，科学家还在寻找新的超导材料，为探究超导体的新特性不懈努力。
参考资料：
1. https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Magnetic-Materials/I21.html
2. Charles C.Tam, Jaewon Choi, Xiang Ding, Stefano Agrestini, Abhishek Nag, Mei Wu, Bing Huang, Huiqian Luo, Peng Gao, Mirian García-Fernández , Liang Qiao and Ke-Jin Zhou , Nat. Mater. 21, 1116-1120 (2022). Charge density waves in infinite-layer NdNiO2nickelates, https://www.nature.com/articles/s41563-022-01330-1.
3.H.Lu,M.Rossi,A.Nag,M.Osada,D.F.Li,K.Lee,B.Y.Wang,M.Garcia-Fernandez,S.Agrestini,Z.X.Shen,E.M.Been,B.Moritz,T.P.Devereaux,J.Zaanen,H.Y.Hwang,Ke-Jin Zhou,W.S.Lee, Science. 373, 213-216 (2021), Magnetic excitations in infinite-layernickelates, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd7726
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-