本文由知社學(xué)術(shù)圈（zhishexueshuquan）授權(quán)轉(zhuǎn)載

【摘 要】
 

    近日,，中國人民大學(xué)于偉強(qiáng)教授研究組和清華大學(xué)于浦教授（Quantum Design產(chǎn)品用戶）研究組與國內(nèi)同行合作，用離子液體柵技術(shù)實現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)材料的氫化,，并成功獲得非易失性電子摻雜下的超導(dǎo)電性,。該工作將FeS材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度由5K提高到18K，突破了鐵基超導(dǎo)核磁共振實驗長久以來的困境,，開辟了超導(dǎo)電性探索的新途徑,。 相關(guān)成果以題為“Protonation induced high-Tc phases in iron-based superconductors evidenced by NMR and magnetization measurements”發(fā)表在了2018年1月1日出版的Science Bulletin上 (Science Bulletin 63, 11-16(2018))^[1]。

    為什么氫化能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo),？

    該研究方法的出現(xiàn)意味著什么,？

 羅會仟 | 中國科學(xué)院物理研究所 副研究員 科普作家

【1、氫與超導(dǎo)結(jié)親情】
 

    氫,，是自然界zui輕的元素,，僅含有個質(zhì)子和個電子。氫是自然界zui重要的元素之,，因為氫和氧構(gòu)成了水,，才孕育了萬物生靈。氫也是科學(xué)研究zui重要的起點,，量子力學(xué)的成功,，正是從氫原子起步的。

    超導(dǎo),，是種神奇的宏觀量子凝聚現(xiàn)象，在定溫度以下,，某些材料電阻會降為零,，同時出現(xiàn)*抗磁性。超導(dǎo)的本質(zhì)來源于材料中電子的兩兩配對,，正所謂“男女搭配,、干活不累”，配對的電子能夠?qū)崿F(xiàn)*的導(dǎo)電,。只是,，對于大部分超導(dǎo)材料，都要降到足夠低的溫度之下才能超導(dǎo),，稱之為超導(dǎo)臨界溫度,。如何提高超導(dǎo)臨界溫度，以及如何理解超導(dǎo)微觀機(jī)理,，成為超導(dǎo)研究的核心目標(biāo)^[2],。

    長久以來，科學(xué)家執(zhí)著地認(rèn)為氫單質(zhì)就有希望實現(xiàn)室溫下的超導(dǎo)電性,，但條件是其苛刻的——需要在超高壓力下將其金屬化,，這個壓力約等于地球內(nèi)部壓力,，在百萬個大氣壓之上！實現(xiàn)如此高的靜止壓力只有個辦法,，就是冒著爆炸的危險,，用兩塊金剛石對頂可勁兒壓。雖然有科學(xué)家宣稱找到了金屬氫,，然而卻在測定其超導(dǎo)電性過程中不慎失手打碎了金剛石^[3],。德國科學(xué)家也在氫的硫化物中找到了203K的超導(dǎo)電性，但需要在200萬個大氣壓下^[4],！如此大得不得了的壓力,，談應(yīng)用前景是幾乎不可能的了。

    氫與超導(dǎo)之間千絲萬縷的,，始終縈繞在科學(xué)家的腦海,。

 圖1. 超高壓下的金屬氫^[3]

【2、中式炒菜下的高溫超導(dǎo)】
 

    超導(dǎo)材料的探索,，被科學(xué)家戲稱為“中式炒菜”——把幾類元素單質(zhì)或化合物經(jīng)過定的配比混合,，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)等工序，就能得到超導(dǎo)體,。正如魯,、川、粵,、蘇,、浙、閩,、湘,、徽等八大菜系樣，超導(dǎo)材料也因為炒菜原料和方式不同,，有著不同的體系,，包括金屬單質(zhì)、合金,、氧化物,、硫化物、有機(jī)物等多種形式的材料,。這些“菜品”口味不,，物理性質(zhì)千差萬別，超導(dǎo)臨界溫度也各有千秋,。

    上世紀(jì)80年代,，類新的銅氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，因為它們突破了當(dāng)時理論預(yù)言的40K限,，被稱之為“高溫超導(dǎo)體”^[2][5],。歷經(jīng)30余年,，許多銅氧化物高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，大地推進(jìn)了超導(dǎo)研究的歷史進(jìn)程,。到了2008年,，新類高溫超導(dǎo)體再次被發(fā)現(xiàn)，它們是“鐵基超導(dǎo)體”家族,，以鐵砷化物,、鐵硒化物和鐵硫化物為主，塊體臨界溫度可達(dá)55K,，單原子層薄膜臨界溫度突破了65K,，并且有可能走向更高^[6]。高溫超導(dǎo)貌似個普遍物理現(xiàn)象,，可人們卻仍不知甚解,。

    兩類高溫超導(dǎo)體都有個共同征,，那就是需要高超的炒菜手藝。不僅僅是簡單的原料混合,，也需要把握火候(溫度)和工藝。zui難之處在于,，需要加定的諸如糖,、鹽,、醋、醬油,、味精,、花椒等調(diào)料，把口味調(diào)對了,，才能出現(xiàn)zui的超導(dǎo)。這個調(diào)料,，就是化學(xué)摻雜,，通過元素替換或者原子缺陷,，人為給增加電流的載體——電子或空穴,，低溫下的大量配對才會出現(xiàn)超導(dǎo),。銅氧化物高溫超導(dǎo)體的母體本身是個帶有反鐵磁性的緣體，然而摻雜可以將其調(diào)到金屬導(dǎo)體狀態(tài),，再降溫后就成為超導(dǎo)體,。如果炒得手好菜，超導(dǎo)臨界溫度在常壓下zui高能達(dá)到135K左右,，離室溫300K還有定距離,，然已經(jīng)比單質(zhì)金屬要“有滋有味”多了(如金屬鋁為1.4K、金屬汞為4.2K,、金屬鈮為9K)^[7],。

    調(diào)料加多了，也有煩惱,。吃起來很香很美很有味兒,，卻難以搞明白是哪個調(diào)料起到了關(guān)鍵作用，或者調(diào)料復(fù)合下究竟是個什么機(jī)制,。因為載流子摻雜效應(yīng)其復(fù)雜,，比如改變材料的晶體結(jié)構(gòu)、磁性,、電性,、熱力學(xué)性質(zhì)等等，許多現(xiàn)象已經(jīng)超越了我們已有的理論框架體系,。高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)理問題,，多年來也直是個科學(xué)之謎，成為了凝聚態(tài)物理皇冠上的耀眼明珠,。

 圖2. 銅基和鐵基高溫超導(dǎo)體的摻雜相圖^[2]

【3,、喝水與酗酒的超導(dǎo)體】
 

    在其他科學(xué)家滿頭大汗忙著炒菜尋找超導(dǎo)體的時候，某些人也劍走偏鋒,，玩起了蒸包子超導(dǎo)體和酗酒超導(dǎo)體,。

    例如類鈷氧化物本身難以超導(dǎo)，但是經(jīng)過蒸籠里歷練歷練,，把水分摻進(jìn)去之后,，它就超導(dǎo)了^[8]！

又如,，類鐵硫化物材料超導(dǎo)性能往往很差，把它泡在各種酒里面喝高了之后,，它就超導(dǎo)了,！而且這家伙還酒品高雅,，zui喜歡法國某酒莊某年份的某品牌紅葡萄酒，光喝酒精反而不行^[9],！

    無論是水還是酒,，里面隱藏的奧秘,，或許是傳說中的氫,？

圖3. 喝水的超導(dǎo)體NaxCoO2和喝酒的超導(dǎo)體FeTe0.8S0.2^[8][9]

【4,、洗澡蟹里出超導(dǎo)】 

    話說喝水和喝酒都能超導(dǎo)，給某些材料洗洗澡,，是否也可以超導(dǎo)了呢？就像某湖水里的大閘蟹,，洗洗涮涮再貼個標(biāo)簽,，立馬身價倍增，已是*的秘密,。

    給鐵基超導(dǎo)材料洗洗澡,，結(jié)果會怎么樣,？

    中國科學(xué)家還真就這么干了,！確切地說，是給鐵硫化物泡了個溫泉,。該泉水可不般,，是堆“離子液體”,，里面充滿了多種帶電離子。用鉑絲做陽,，要泡澡的材料做陰，加上柵電壓,。于是，離子液體里的氫離子,，就在電作用下，呼啦啦涌到材料表層,，甚至滲入內(nèi)部。氫離子(質(zhì)子)帶正電,，注入到材料中后為保持電中性，大量電子也就涌入到材料內(nèi)部,，從而使得材料實際上摻雜了更多的電子。

    電子摻雜讓原本只有5K超導(dǎo)的FeS變成了18K超導(dǎo),，而FeSe_0.97S_0.03則出現(xiàn)了42.5K的超導(dǎo),，甚至*不超導(dǎo)的BaFe₂As₂母體材料，也出現(xiàn)了20K的超導(dǎo),！原本需要進(jìn)行元素替換的化學(xué)摻雜,，這里通過“洗澡”方式注入氫離子,，也同樣實現(xiàn)摻雜后的超導(dǎo),，而且材料的晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變。

    真是“氫我下就超導(dǎo)”,！

【5、氫云之上有玄妙】

    用柵電壓來改變材料中的載流子數(shù)量/濃度,，并不是什么新的發(fā)明,。實際上，半導(dǎo)體材料玩的就是這套,。在半導(dǎo)體PN結(jié)里,，通過偏壓控制電流通過或者不通過可以做邏輯電路元件，通過控制電子-空穴對湮滅可以實現(xiàn)LED光學(xué)元件^[10],。必須注意的是，超導(dǎo)體中的載流子濃度,，與半導(dǎo)體相比，可是天壤之別,，前者要大7-8個數(shù)量。毫無疑問,，載流子濃度越高，參與導(dǎo)電的粒子就越多,，導(dǎo)電性才會越好,。指揮支敢死隊的方法,，不定適用于千軍萬馬對陣。

    用離子液體或離子固體門電壓調(diào)控,，也是可以調(diào)節(jié)超導(dǎo)體表面的電子濃度的,。中國科學(xué)家前幾年就發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eSe薄層材料原本臨界溫度只有9K,，在離子門調(diào)節(jié)載流子后,，迅速提升到了46K^[11],。這種技術(shù)靠的是在材料表面覆蓋層離子,，通過偏置電壓讓離子聚集在表面,，體內(nèi)電荷就會重新分布,，造成摻雜效應(yīng)。產(chǎn)生的效應(yīng)尺度有限,，撤掉偏壓會失去效應(yīng),，調(diào)控?fù)诫s濃度有限,，是該方法的缺點,。

    如果直接把離子打入材料內(nèi)部呢,？清華大學(xué)的于浦教授想到了電化學(xué)方法。干脆把材料當(dāng)做電本身,，在離子液體里加上電壓，離子就會注入或離開材料,，從而實現(xiàn)電子或空穴摻雜,。經(jīng)過摸索,，他們在氧化物材料實現(xiàn)了電化學(xué)離子注入,。只要控制好溫度和電壓,，就能無損害材料本身而調(diào)節(jié)其物性，并且過程是可逆的,！

    中國人民大學(xué)的于偉強(qiáng)教授主要做核磁共振研究,，多年以來的夢想就是實現(xiàn)高溫超導(dǎo)體的注氫,。因為核磁共振對同位素有大的選擇性,，高溫超導(dǎo)體里面含有的元素要么不合適做實驗,，要么需要的同位素貴無比，注入核磁共振信號zui強(qiáng)的氫離子是zui合適不過了,。于浦教授的方法和于偉強(qiáng)教授想法拍即合，于是“二于配合”順把氫離子搞定進(jìn)入超導(dǎo)體,。

圖4. 注氫鐵基超導(dǎo)實驗原理,、結(jié)果及主要研究人員：崔祎、于浦,、于偉強(qiáng)等（于偉強(qiáng)提供）

    神奇的幕就此揭開了,，鐵基超導(dǎo)的性能獲得了大幅度的提升！同樣“注氫超導(dǎo)”也是可逆的,，且?guī)缀醪桓淖儾牧辖Y(jié)構(gòu),，同時可以撤離“洗澡水”依然保留超導(dǎo)。這意味著,，該新型超導(dǎo)調(diào)控手段可以避免之前化學(xué)摻雜帶來的麻煩,，不僅為核磁共振，也為其他超導(dǎo)探測手段提供了連續(xù)可控的干凈樣品,。無論是超導(dǎo)材料還是超導(dǎo)機(jī)理的研究,，都將為此受益,！

    目前,，他們正在和國內(nèi)的合作者起,，試圖在更多的材料里面實現(xiàn)注氫超導(dǎo)，終將在攀登超導(dǎo)研究之峰上,，開辟出條嶄新的道路！

【致謝】 

    感謝中國人民大學(xué)于偉強(qiáng)教授,、清華大學(xué)于浦教授,、Science Bulletin編輯鄒文娟等人對此文的修改和幫助。

【參考文獻(xiàn)】 

[1]. Y. Cuiet al.,Science Bulletin 63, 11-16(2018) 

[2]. 羅會仟, 周興江, 神奇的超導(dǎo), 現(xiàn)代物理知識, 24(02), 30-39 (2012).

[3]. R. P. Dias, I. F. Silvera, Science 355(6326), 715-718(2017).

[4]. A. P. Drozdov et al., Nature 525, 73-76 (2015).

[5]. J. G. Bednorz and K. A. Müller, Z. Phys. B. 64, 189 (1986).

[6]. 羅會仟, 鐵基超導(dǎo)的前世今生, 物理, 43(07), 430-438(2014).

[7]. A. Schilling et al., Nature 363, 56-58(1993).

[8]. K.Takada et al., Nature 422, 53-55(2003).

[9] K.Deguchi et al.,Supercond. Sci. Technol. 24, 055008(2011).

[10]. 黃昆, 謝希德, 《半導(dǎo)體物理學(xué)》, 科學(xué)出版社, 2012.

[11]. B. Lei et al., Phys. Rev. Lett. 116, 077002 (2016).

[12]. N. Lu et al.,Nature 546, 124–128 (2017).