如何評價最近刊登在 Nature 上的常溫超導實現? | 知乎問答精選

 

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如何評價最近刊登在 Nature 上的常溫超導實現?

2018年09月05日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 12 ℃ 次

【RanJing的回答(46票)】:

最近看到了這篇文章,過來講講我的看法。手機碼字,介紹的就簡單些。

其實看法很簡單,就是說這個東西大家要瞭解它並非一句常溫超導而已,這個現象是全新的,目前大家對於他們看到的是不是超導信號,還存在爭議。

介紹下工作的原作者,胡婉錚。原來是剛從中科院轉到量子中心的王楠林教授組內的博士,後來畢業到德國漢堡從事博士後工作。

首先說超導。大家都知道超導就是溫度低於一定值之後,電阻消失,磁場被排出超導體體內。對於常規的超導體,比如Hg,MgB2,他們的超導溫度轉變溫度都很低(~30K一下)。當然在特殊條件下也可以很高,比如也是最近德國馬普所的工作,在加超高壓的情況下,H2S可以實現190K左右的超導(arxiv上的連接忘了,找到了補上)。而對於80年代發現的銅基超導體和21世紀的鐵基超導體,他們的超導溫度都遠高於常規超導體。比如HgBa2CuO4+delta體系可以有94K。在銅基超導體中,承載超導的結構是CuO2面。大家一開始猜這個面越多就超導越好(具體邏輯這裡就不詳述了)。結果大家就衝著雙層,三層去,發現在加壓的情況下,分別可以到138K和168K(或許有記憶錯誤,大體數值應該對)。但是再往後就不行了。後來有一群人覺得這個東西搞薄膜可以提高超導轉變溫度,於是復旦一堆人又搞了FeSe薄膜,使得超導溫度相對於鐵基體材料又有較大提升。然而這些距離常溫都還很遙遠。

接著講講近幾年凝聚態內大家在搞的超快光譜學。超快光原理,歷史什麼的我確實不懂,就不多提了。說的簡單些,當一個電磁場打在材料上,必然會與晶體內帶點體系耦合,使得體系內產生激發。一般來說,我們研究的都是近平衡態,決定材料電性質的費米面行為,晶格動力學結構都是穩定的。但在一個光剛剛打在材料上的時候,體系還遠離平衡會發生什麼呢?這個就是大家在凝聚態領域內用超快光譜學的想法。我們可以觀察透射、反射,或者拿來做角分辨光電子譜,各種各樣的方法研究體系布裡淵區內的故事。

好的,這篇工作。11年的時候,大家發現如果用剛剛搞出來的太赫茲激光(能量和聲子能量差不多,基本可以理解為可以和聲子共振吸收),可以「融化晶格」(melt)。在一些複雜氧化物中,大家就可以拿來融化一些電子序,從而導致絕緣體到金屬的相變,接著誘發超導。令人驚奇的是,大家居然在YBa2Cu3O6+x體系裡面觀察到了常溫信號。然而這個信號只能持續ps量級,他們所觀察的物理可以說還是時域的。主流的觀點還搞不清楚他們看到的是不是超導,學界有爭議。可以認為是"a healthy dose of skeptism"。他們最近的文章說,他們利用了IR聲子模和4中對稱性名稱為A1g的Raman聲子模的強耦合,4種Raman聲子模都對應著apical的O原子(CuO2面邊上的一個氧原子,普遍在所有的Cu基超導體中存在)向CuO2面的靠近,以及CuO2面自身的buckling。其中buckling的這個模式,種種跡象表明他似乎等效於一個更高的摻雜(在這些體系中,平時改變摻雜會改變轉變溫度),另外也會抑制諸如電子密度波序(CDW)的電子序(這個東西大家目前認為他對超導有抑製作用)。但是這篇12月4號發出來的nature也指出,這些都是對這個東西研究的開始。

他們這個工作必須在雙層CuO2面的結構內才能實現,是因為IR模和Raman模的對稱性的原因(具體也不說了)。所以胡婉錚同學也在積極尋求北大李源老師組剛剛長出的高質量雙層HgBaCuO單晶的樣品。

在我看來,這個現象的意義更多的在於可以為超導基礎研究帶來新的角度(換句話說,再次炒熱這個領域,雖然它是凝聚態的王道,不過大家炒冷飯也炒了好多年了)。非平衡態下,我們可以實現很多在平衡態下實現不了的系統狀態,使得某些序被抑制,某些被增強,這樣與過去的研究對比,可以更好地釐清高溫超導這個複雜問題的頭緒(換句話說,除了累計實驗數據,過去大家對於超導的認識,還停留在現象學上)。高溫超導研究的大致想法就是:反正超導相本身我們是沒什麼希望研究清楚了,就研究研究超導相邊上可能出現的相吧。這20年裡面發現的stripe phase,psuedogap,CDW,SDW,two-magnon一系列電子序,都出現在超導附近,他們都有可能與超導之前存在相互作用。釐清他們的關係確實是向搞清楚高溫超導原理進軍的突破口。如果這個體系裡面什麼東西都混在一起,自然是不好研究的,如果能夠disentangle某些東西,這會非常有趣。希望ultrafast spectroscopy能夠帶來這樣的機遇。

【陳健馳的回答(7票)】:

由於本渣在之前上課也看過不少有關Supercon的論文和歷史,就先說兩句屁話。

Yttrium barium copper oxide 的結構:

可以看到,YBCO裡面有CuO2雙層平面,CuO4 Ribbon,和CuO鏈。而此項研究的原理正是CuO2平面和CuO鏈的能帶結構變化以及電荷轉移。事實上正如這篇文章可以看到,YBCO裡面有CuO2雙層平面,CuO4 Ribbon,和CuO鏈。而此項研究的原理正是CuO2平面和CuO鏈的能帶結構變化以及電荷轉移。事實上正如這篇文章Self-doping processes between planes and chains in the metal-to-superconductor transition of YBa2Cu3O6.9 : Scientific Reports : Nature Publishing Group所說,這二者之間的interaction一直就是超導研究的焦點之一。

這項研究的本質是用超短脈衝激光來引導YBCO至激發態。在誘導過程的暫態(transient state)裡,CuO鏈中的氧和銅原子距離縮短了2.2-2.4皮米(10^-12m),從而導致了其能帶能量減少零點幾meV(毫電伏)。由於在平衡態下這些能帶本來就很接近其費米能級,所以這樣一個能量變化導致了CuO2平面和CuO鏈之間的軌道雜化(hybridization)大大降低,從而改變了其費米面(Fermi Surface)的形狀和性質,使得其有了更強的

對稱性和更高的空穴摻雜濃度(hole doping),這也可能是其在室溫300K下有了短暫超導性質的原因。

下面說點人話。

是否是突破性的:

是。對於暫態物質結構變化的研究目前非常不完備,本文用LCLS同步激光來觀測結構的做法非常有參考意義。同時此項研究讓我們認識到激光誘導物質結構變化具有巨大潛力,為將來進一步研究激光與合金的相互作用開闢了道路。

是否是革命性的:

不好說,但是目前看來還不是。首先,從超導意義上來講,其原理和高溫(注意,高溫比室溫低多了。。。)超導的d-symmetry解釋並無二致,而且d-symmetry也是首先在YBCO中驗證,本研究發現激光可以在室溫下暫時加強d-symmetry,但並沒有革新我們對超導的認識。第二,本研究中一些現象還不能定量解釋,文中也用了很多qualitative的詞語和猜測性的語句,更深層次的計算和分析還有待發掘。

Nature原文:nature.com/nature/journ

(需要access才能看全文)

【劉奧的回答(3票)】:

果殼網已經有報道了 室溫超導,夢想不再遙遠

簡單地說,馬普所的研究人員2013年發現,用紅外激光照射 YBaCuO 後很短的時間內,它會暫時在室溫下變成超導體,但是具體原因並不清楚。2014年,它們用 LCLS 作為激光源測量紅外激光照射後的 YBaCuO 晶體結構變化,發現紅外激光造成了 YBaCuO 中的原子發生微小(pm)的位移,因此出現了瞬間的室溫超導。這一發現可能對於啟發人們尋找室溫超導材料有所幫助。

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我還是頭一次聽說 LCLS 這個全球最強激光炮,以前聽到同步輻射就覺得NB得不行了(真是孤陋寡聞啊= =#)。也就這種光源才能看出 2pm 的原子位移吧…

不過這麼強的激光源真的不會造成更大的原子位移嗎?(或者說直接把樣品轟成渣…)此外 2pm 的位移是怎麼和熱振動(聲頻波)區分的呢?我沒有具體看文章,不過想來這些問題在論文中是有解答的。

【賈維斯的回答(0票)】:

感覺就是實現炮姐不是夢。

【陳力的回答(0票)】:

常溫超導實現了的話,醫院又要大批更新MRI設備了。維護費用低啊,能耗應該也會少一些。

標籤:-物理學 -超導


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