如同電影《阿凡達》中自由漂浮的山，在未來某天，人們能在室溫下實現超導嗎？這不是「天方夜談」，而是科學家們正在探索的、未來可能實現的科研課題。
磁懸浮列車、核磁共振儀、超導電纜、超導變壓器……這些都是材料的超導性在生活中的應用。
1986 年，IBM 設立在瑞士蘇黎世的實驗室首次在銅基陶瓷絕緣體中摻雜其它物質實現超導，被視為「對超導里程碑式的研究突破」。再到 2011 年，鐵基超導首次被日本科學家發現。
2019年，斯坦福大學在鎳基氧化物中實現了超導。
科學家在不斷研究現有超導材料機理的同時，也在嘗試將這些機理擴展到對新穎材料的研製中。
近日，英國鑽石光源（Diamond Light Source）的首席束線科學家周克瑾博士團隊在超導材料領域又有新進展[1]。該團隊在無限層鎳基氧化物超導體中發現了磁激發，並測量出電荷密度波，為了解鎳基超導體的起源以及超導機理奠定了良好的基礎。
（來源：Pixabay）
選擇 RIXS 作為研究技術
X 射線散射技術是強有力的探測材料性質的實驗手段，周克瑾博士帶領課題組，選擇入射能量為 0.4-20keV、能量轉移的範圍為 0.01-10eV 的共振非彈性 X 射線散射（RIXS，Resonant inelastic X-ray Scattering）技術。
圖 | X 射線散射技術（來源：周克瑾）
「這對於研究固體材料，特別是納米厚度的薄膜態先進材料的低能集體激發性質，具有更強的針對性。」周克瑾說。
圖 | 鑽石光源（Diamond Light Source）（來源：周克瑾）
鑽石光源的 RIXS 實驗設備可將高能的 X 射線純化並聚焦，形成微小橢圓形高強度、高純凈度的 X 射線光斑（水平方向 30μm，垂直方向 2μm）。而高純凈度的光斑的作用是，可將固體材料最內部原子核附近的某些電子打入真空。最終，其它電子會填充進空穴能級，同時發出 X 射線熒光。
圖 | RIXS 的散射過程（來源：周克瑾）
該儀器對散射出的 X 射線能分辨出能量和動量。通過出射光與入射光的能量與動量差別，可反映出材料微觀的電子態信息，而這些信息與材料的宏觀性質相關。周克瑾解釋道：「絕緣性、導電性及超導性息息相關。我們正是用此原理，對目標材料性質進行研究。」
測出無限層 NdNiO2 鎳基超導材料中的電荷密度波
在材料科學中，人們一直致力於重現材料的超導性。為此，周克瑾與電子科技大學合作，用 RIXS 成功觀察到無限層鎳酸鹽（NdNiO2）薄膜中的電荷密度波，在鎳基超導體中重現了廣泛存在於銅基超導體的有序電子態。
近日，相關論文以《無限層 NdNiO2 鎳基超導體中的電荷密度波》（Charge density waves in infinite-layer NdNiO2 nickelates）為題，發表在 Nature Materials 上[2]。
（來源：Nature Materials）
在研究的初始研究階段，材料獲取、研究難度、測量手段都讓研究變得「困難重重」。
具體來說，無限層 NdNiO2 鎳基薄膜材料僅 10 納米厚，處於原子量級，因此難以獲取。並且，全世界只有不超過十個課題組可以真正生成高質量鎳基薄膜超導氧化物。除此之外，測定該種材料的電荷密度波的實驗手段也十分有限。
為解決材料獲取難題，該團隊與位於中國四川的電子科技大學合作獲得了實驗所需樣品。從技術手段方面，RIXS 光譜可穿透深度大約在幾十個納米，可恰到好處地觀測到微弱的電子信號，與材料厚度完全匹配。
圖 | 母體 NNO2 中的電荷密度波（來源：Nature Materials）
圖 | NdNiO2 和超導 Nd0.8Sr0.2NiO2 中的電荷密度波（來源：Nature Materials）
在該研究中，周克瑾團隊對電荷密度波的機理做出了詳細的分解後，發現鎳氧層中的電子與釹電子相互關聯，會對電荷密度波起到調試作用。隨着兩個元素之間電子的相互作用的減弱，電荷密度波也呈減弱趨勢。
「我們在母體無限層鎳酸鹽中觀察到了很強的電荷密度波。當鍶元素（Sr）的摻雜量為 20% 時，材料變為了超導體，並且電荷密度波消失了。」周克瑾說。
他們還發現，有些較長、有序的電荷密度波和超導性能夠形成競爭機制。簡單來說，有電荷密度波就沒有超導，有超導電荷密度波就會減弱。
這種表象讓周克瑾與團隊想到，廣泛存在於銅基氧化物超導體內超導性與電荷密度波的競爭行為。
他進一步說道：「鎳酸鹽擁有不同於銅酸鹽的多電子軌道特性，對它們的研究可以為深入理解高溫超導基本機制提供很好的例子。」
探究無限層鎳基超導體的磁激發性質
鎳基超導體內的電子行為、自旋相互作用與銅基氧化物是否真正完全相似？無限層鎳基氧化物磁性交換強度是銅基的五分之一、十分之一，還是相比擬？
為探究無限層鎳基超導體的磁激發性質，周克瑾團隊與斯坦福大學合作，旨在通過實際測量，重新定義其模糊的概念。
（來源：Science）
最近，相關論文以《無限層鎳酸鹽的磁激發》（Magnetic excitation in infiniite-layer nickelates）為題發表在 Science 上[3]。
圖 | RIXS 譜線下的磁激發（來源：Science）
無限層鎳基氧化物超導體作為論文中研究的主要材料，具有與銅基氧化物相似的結構。研究人員用高強、高純的 X 射線照射鎳基化合物，並將芯能級電子打到表面導帶上。此時，其它所佔據的電子會跳躍下來。在這個過程中，材料的磁激發則隨之衍生出來。
圖 | RIXS 觀察到的 NdNiO2 中磁激發能量、動量變化（來源：Science）
然後，實驗對 RIXS 強度與 NdNiO2 動量、能量的關係進行了測定。RIXS 散射出來的磁激發譜的峰值位置呈現色散狀態。隨着動量的不斷增大，能量也慢慢偏轉。
圖 | NdNiO2 中磁激發的色散與線性自旋波擬合（來源：Science）
周克瑾說：「有趣的是，雖然目前鎳基超導體還沒被證明持有長程有序的反鐵磁態，但我們發現，母體材料中有很強的反鐵磁性質的磁激發。」找到色散關係後，該團隊對該種色散關係的數據進行擬合，隨後，將磁的相互作用強度提取出來。
擬合結果表明，最臨近的電子自旋相互作用強度接近 60 個豪電子伏特。這個數值大約是銅基超導氧化物的一半。
值得注意的是，鎳基的色散關係與銅基近乎相同，且磁激發譜具備很清晰的峰形，這說明電子與電子之間的關聯作用很強、與銅基超導體很相似。
圖 | 超導 Nd1-xSrxNiO2 的 RIXS 光譜（來源：Science）
最後，課題組還觀察到 NdNiO2 中磁激發的一些衍變行為。當摻雜進鍶元素時，NdNiO2 就會轉變為超導體，磁激發後會產生微小的變化。
任何科研成果的獲得都不是一蹴而就的，無論是在鎳基超導材料中發現磁激發，還是測量出電荷密度波，人們都在探究先進材料的超導性方面更近了一步。從合金超導體到目前的銅基氧化物超導體，再到鎳基氧化物，科學家還在尋找新的超導材料，為探究超導體的新特性不懈努力。
參考資料：
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
