“跨界”超å¯?òqß_(d¨¢)¼Œå¥¹çš„团队收获“惊喜â€?/h2>

2023-02-24 | 韩扬�/span> | 来源 《中国科学报�023-02-24 |

2017òqß_(d¨¢)¼Œä¸­å›½¿U‘学院院士、清华大学教授朱静进入了一个她不熟æ‚(zh¨¨n)‰çš„研究领域—â€?/span>­‘…导材料åQŒè€Œæ­¤å‰çš„60余年é—ß_(d¨¢)¼Œå¥¹ä¸€ç›´ä»Žäº‹ç”µ(sh¨´)子显微学研究。在˜q?span lang="EN-US">10òq´çš„‹¹‹å®šé‡å­ææ–™åºå‚量的ç”?sh¨´)子昑־®å­¦æ–¹æ³•ç ”½I¶åŸº¼‹€ä¸Šï¼Œæœ±é™å›¢é˜Ÿåœ¨è¶…导材料中获得了一些重要发现ã€?/span>

朱静团队与合作者利用洛伦兹透射ç”?sh¨´)子昑־®é•œï¼Œåœ¨å®žéªŒä¸­é¦–次直接观察åˆîCº†‹Æ æŽºæ‚çš„YBa2Cu3O6.5样品中赝能隙态下存在的拓扑磁涡旋¾l“构。相关研½I¶æˆæž?span lang="EN-US">2æœ?span lang="EN-US">22日发表于《自然》。两位审½E¿äh评ä­h(hu¨¢n)该研½I¶æ˜¯â€?/span>重大½Hç ´â€â€?/span>重要一æ­?span lang="EN-US">â€?/span>ã€?/span>

“被人忽略”的强大工具

1986òqß_(d¨¢)¼Œå¾·å›½¿U‘学家贝特诺茨和¾ŸŽå›½¿U‘学家缪勒发玎ͼŒé“œæ°§åŒ–物陶瓷材料在较高温度下出现了超导现象。这被认为是¿U‘学发展的重大突ç ß_(d¨¢)¼Œæ­ç¤ºäº†ä¸€ä¸ªæ–°çš„微观量子世界ã€?/span>

几十òq´æ¥åQŒä¸€å¤§æ‰¹¿U‘学家投íw«é«˜æ¸©è¶…导研½I¶è¡Œåˆ—，试图解决其中最å…ähŒ‘战性的问题——高温超导现象发生机制ã€?/span>

2017òq´æš‘假，朱静在清华大学校园里遇到äº?span lang="EN-US">â€?/span>忘年äº?span lang="EN-US">”—â€?/span>中国¿U‘学院院士薛其坤ã€?span lang="EN-US">â€?/span>æœÞp€å¸ˆåQŒæ?zh¨¨n)¨æ€Žä¹ˆä¸åš­‘…导åQ?span lang="EN-US">â€?/span>薛其坤问道。朱静回½{”说åQ?span lang="EN-US">â€?/span>­‘…导我不懂，也没有材料ã€?span lang="EN-US">â€?/span>随后åQŒæœ±é™æ¥åˆ°è–›å…¶å¤çš„办公室åQŒçœ‹åˆîCº†è®¸å¤š­‘…导相关的研½I¶æˆæžœã€?/span>

作äØ“(f¨´)我国材料ç”?sh¨´)子昑־®å­¦é¢†åŸŸå­¦æœ¯å¸¦å¤´ähåQŒæœ±é™å¯¹å¦‚何˜q›ä¸€æ­¥åˆ©ç”¨ç”µ(sh¨´)子显微镜中电(sh¨´)子和物质交互作用产生的各¿Uä¿¡åøP¼Œæœ‰ç€æ·±åˆ»çš„认识。但朱静未曾惌™¿‡æ¶‰èƒö­‘…导领域åQŒå¥¹æ·ÞqŸ¥åQŒè¶…导研½I‰™žå¸æ€¸å®ÒŽ(gu¨©)˜“ã€?/span>

“蹭”课、读文献和专业教材，朱静从基¼‹€å­¦è“våQŒæ¸æ¸äº†è§£åˆ°åQŒâ€œé«˜æ¸©è¶…导的­‘…导机制不清楚，特别是原子尺度的­‘…导研究更少”ã€?/span>

若能从原子层面了解高温超å¯ég½“材料的序参量åQŒå°†æœ‰åˆ©äºŽç†è§£é«˜æ¸©è¶…导机制。而在˜q™ä¸€é—®é¢˜ä¸Šï¼Œç”?sh¨´)子昑־®å­¦èƒ½å‘挥强大的作用，只不˜q‡äh们往往ž®†å®ƒçš„功能聚焦在炚w˜µç ”究上ã€?/span>

è‡?span lang="EN-US">2013òq´è“våQŒæœ±é™å›¢é˜Ÿä¸€ç›´è‡´åŠ›äºŽå‘展量子材料序参量的ç”?sh¨´)子昑־®å­¦ç ”½I¶ã€‚他们利用磁光材料，在高分èöL率下协同实验‹¹‹é‡æ™¶æ ¼ã€ç”µ(sh¨´)荗÷€è‡ªæ—‹ã€è½¨é“、拓扑量子序参量的有效性和优势åQŒæ·±å…¥äº†è§£å¤šä¸ªé‡å­åºå‚量之间隐藏的耦合效应åQŒä»Žè€Œè¿›ä¸€æ­¥æŒ‡å¯¼å„¿Uå¤æ‚功能材料的研究和开发ã€?span lang="EN-US">2021òqß_(d¨¢)¼Œç›¸å…³ç ”究成果发表于美国《国家科学院院刊》ã€?/span>

朱静è¯ß_(d¨¢)¼Œç”׃ºŽé“œæ°§åŒ–物的原子结构和ç”?sh¨´)子¾l“构复杂åQŒé«˜æ¸©è¶…导现象在微观机理研究斚w¢å­˜åœ¨è®¸å¤šå¾…解决的¿U‘学问题åQŒéœ€è¦åœ¨å®žç©ºé—ß_(d¨¢)¼Œç”¨å¤šž®ºåº¦åQˆä»Žå¾®ç±³ž®ºåº¦åˆ°åŽŸå­å°ºåº¦ï¼‰½Iºé—´åˆ†èöL率高的实验手ŒDµè¿›è¡Œç ”½I¶ã€?/span>

“我们的实验使用了最先进的透射ç”?sh¨´)子昑־®é•œå’Œä¸Žä¹‹å‘展èµäh¥çš„洛伦兹原位ç”?sh¨´)子昑־®å­¦æŠ€æœ¯ï¼Œä»¥åŠ(qi¨¢ng)一个可以在原子ž®ºåº¦ä¸‹è¡¨å¾ç‰©è´¨æ™¶æ ¹{€ç”µ(sh¨´)荗÷€è½¨é“、自旋和拓扑½{‰é‡å­åºå‚量的强大工兗÷€‚”朱静说ã€?/span>

深夜12点半的惊喜瞬�/span>

揭示和理解高温超å¯ég¸­èµèƒ½éš™æ€ä¸‹æ‰€è•´å«çš„丰富物理现象，是凝聚态物理领域面临的重大挑战之一ã€?/span>

赝能隙现象出现在高温­‘…导体的正常ç›æ€¸­åQŒæ˜¯ä¸€ä¸ªè®©äººéžå¸¸å›°æƒ‘的物理现象åQŒå®ƒä¸Žé«˜æ¸©è¶…导机理之间的本质联系åQŒæ˜¯é«˜æ¸©­‘…导研究的核心问题之一ã€?/span>

朱静表示åQŒé«˜æ¸©è¶…导铜氧化物的赝能隙态处于超å¯ÆD{变温度之ä¸?span lang="EN-US">, 位于T*åQˆèµèƒ½éš™æ€è{变温度）温度之下。已有实验结果表明，在特征温åº?span lang="EN-US">T*以下åQŒå­˜åœ¨æ—¶é—´åæ¼”对¿U°æ€§ç ´¾~ºã€‚但是赝能隙态的èµähºå’Œæ—¶é—´åæ¼”对¿U°æ€§ç ´¾~ºæ€ä¸Ž­‘…导性的兌™”åQŒä¸€ç›´ä¸æ¸…楚。如果能够在实空间更加清楚地解析赝能隙态下的异常磁¾l“æž„åQŒå¯ä»¥å¸®åŠ©äh们进一步理解高温超å¯ég¸­èµèƒ½éš™æ€ä¸‹ä¸°å¯Œçš„物理现象ã€?/span>

˜q‡åŽ»åQŒç›¸å…³ç ”½I¶ä¸»è¦é›†ä¸­åœ¨å®¤æ¸©åŒºåˆ©ç”¨é€å°„ç”?sh¨´)子昑־®é•œç ”½I‰™«˜æ¸©è¶…导铜氧化物及(qi¨¢ng)其物理。但是，ç”׃ºŽé«˜æ¸©­‘…导的丰富物理现象往往出现在低温条件下åQŒâ€œå¦‚何利用透射ç”?sh¨´)镜实现在低温到极低温条件下寚w“œåŸºé«˜æ¸©è¶…å¯ég½“的相关物理研½IÓž¼Œæ˜¯ä¸€ä¸ªå¾ˆå¤§çš„挑战”。朱静说åQŒä»–们利用液氦样品杆åQŒå®žçŽîCº†â€œå…¨æ¸©åŒºâ€èŒƒå›´çš„研究ã€?/span>

没有新样品材料，朱静选择了高温超导材料中最¾lå…¸çš„两¿Uâ€”—钇钡铜氧（YBCOåQ‰å’Œé“‹é”¶é’™é“œæ°§ï¼ˆBSCCOåQ‰ä½œä¸ºç ”½I¶ææ–™ã€?/span>

团队利用复旦大学ç”?sh¨´)子昑־®é•œå®žéªŒå®¤æ–°å®‰è£…的当时中国最先进的电(sh¨´)子显微镜和液氦样品台开展样品测试。实验前åQŒæœ±é™ä¹Ÿä¸çŸ¥é“能观察åˆîC»€ä¹ˆçŽ°è±¡ï¼Œåªæ˜¯æœ‰ç§ç›´è§‰â€”—超å¯ég¸Ž¼‚æ€§æœ‰å¾ˆå¤§å…Œ™”。于是朱静告诉学生，要注意铜基高温超å¯ég¸­èµèƒ½éš™æ€ä¸‹çš„异常磁‹È€å‘问题ã€?/span>

然而，一个星期的实验åQŒå›¢é˜Ÿä¸€æ— æ‰€èŽøP¼Œå‡†å¤‡å›žäº¬ã€‚äÍ(f¨´)行前一晚，团队成员不甘心，打算再熬夜搏一搏ã€?/span>

晚上12ç‚?span lang="EN-US">30分，ç”?sh¨´)脑屏幕上的囑փä¸€çž¬é—´å‘生了清晰的â€?/span>异动â€?/span>åQŒæ˜¯é‡å­åºå‚量的拓扑涡旋¼‚ç»“构。团队成员顿时困意全消ã€?span lang="EN-US">â€?/span>˜q™å°±æ˜¯å¼‚常磁‹È€å‘！â€?/span>于是åQŒé€šè¿‡åœ¨é€å°„ç”?sh¨´)镜中原位施加温度场和磁场，研究人员得到了该拓扑涡旋¼‚ç»“构的温åº?span lang="EN-US">-¼‚åœº-½Iºç©´æŽºæ‚相图åQŒå®žéªŒä¸€ç›´æŒ¾l­åˆ°æ—©ä¸Š8炏V€?/span>

“事实上åQ?span lang="EN-US">2006òqß_(d¨¢)¼Œæ³•å›½å­¦è€…用中子衍射æ–ÒŽ(gu¨©)³•å‘现了超导材料中的异常磁‹È€å‘，但是他们一直没有给出清晰的物理囑փåQŒä‹É得这个异常磁‹È€å‘分支被äºÞZ»¬å¿½ç•¥äº†ã€?span lang="EN-US">â€?/span>朱静告诉《中国科学报》，çŽîC»£ç”?sh¨´)子昑־®é•œå…·æœ‰è¾ƒé«˜çš„ç‚šw˜µåˆ†èöL率和½Iºé—´åˆ†èöL率，可以在实½Iºé—´¾U³ç±³ž®ºåº¦ä¸‹å¯¹ææ–™ä¸­çš„微观¼‚ç»“构进行直接探‹¹‹ï¼Œæœ€¾lˆå‘çŽîCº†èµèƒ½éš™æ€ä¸‹å­˜åœ¨çš„拓扑磁涡旋¾l“æž„ã€?/span>

“研½I¶è€…要热爱研究åQŒè¦æˆå¤©ç¢ç£¨¿U‘学问题â€?/span>

通过重复实验和解释分析，¾l“合对应的原子结构和ç”?sh¨´)子¾l“构序参量，研究团队¾l™å‡ºäº†è¯¥æ‹“扑¼‚æ¶¡æ—‹ç»“构可能的èµähºã€?/span>

研究¾l“果表明åQŒæ‹“扑磁涡旋¾l“构与电(sh¨´)荷密度æ‡L相存在竞争关¾p»ï¼Œèƒ½å¤Ÿåœ¨è¾ƒå®½çš„温度范围内与­‘…导相共存，˜q™è¡¨æ˜Žæ­¤æ‹“扑¼‚æ¶¡æ—‹ç»“构在高温­‘…导机制中可能具有促˜q›ä½œç”¨ã€‚该拓扑¼‚æ¶¡æ—‹åºçš„发现给赝能隙态下旉™—´åæ¼”对称性破¾~ºæä¾›äº†å¾®è§‚上的直接囑փåQŒäØ“(f¨´)äºÞZ»¬˜q›ä¸€æ­¥ç†è§£å’Œç ”究铜氧化物中赝能隙态下旉™—´åæ¼”对称破缺提供了新思èµ\和新见解ã€?/span>

两位审稿äºø™®¤ä¸ºâ€œè¯¥å®žéªŒ¾l“果在理解赝能隙态上有重大突破”“该工作在理解赝能隙态上˜qˆå‡ºäº†é‡è¦ä¸€æ­¥â€ã€?/span>

“做研究¾l™æˆ‘带来了很多乐­‘£ã€‚ç ”½I¶è€…要热爱研究åQŒè¦æˆå¤©ç¢ç£¨¿U‘学问题。”朱静说åQŒæ€è€ƒæ˜¯ä¸€ä»¶å¾ˆé‡è¦çš„事情，理解和解è¯Õd®žéªŒçŽ°è±¡çš„˜q‡ç¨‹ä¹Ÿå¾ˆæœ‰è¶£ã€‚她一直记得导师的一句话åQšâ€?span lang="EN-US">What you think, what you seeåQˆä½ æƒ³ä»€ä¹ˆå°±èƒ½çœ‹åˆîC»€ä¹ˆï¼‰ã€?span lang="EN-US">â€?/span>

ç”׃ºŽæ— æ³•å†æ“ä½œå…·ä½“实验，朱静与学生们保持着密切交流。有时她提出æƒÏx³•åQŒæŒ‡å¯¼å­¦ç”Ÿäºˆä»¥å®žçŽŽÍ¼Œæœ‰æ—¶ä¹Ÿè¢«å­¦ç”Ÿçš„想法启发，教学盔R•¿ã€?/span>

“年è½ÖMh很聪明，要鼓åŠ×ƒ»–们热爱所做的事情。做研究一定得是高兴的。他们热çˆÞq ”½I¶ã€çœŸå¿ƒæ„Ÿåˆ°é«˜å…´ã€å¿˜æˆ‘地投入思考，ž®×ƒ¼š(x¨¬)有更多的新想法。”朱静说ã€?/span>

朱静看来åQŒè¿™ä¸€å®žéªŒòq¶ä¸èƒ½å®Œå…¨è§£é‡Šé«˜æ¸©è¶…导机理，其背后可能隐藏着更加丰富的物理知识，ž®†ç»™å‡èšæ€ç‰©ç†çš„研究带来启发。目前，å¥ÒŽ(gu¨©)­£å¸¦é¢†å­¦ç”Ÿå¼€å±•ä¸‹ä¸€æ­¥çš„工作ã€?/span>

相关论文信息åQ?/span>

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05731-3