每秒100万亿帧!人类拍到了电子随原子起舞的珍贵“电影”

澎湃新闻   2017-07-17 18:31

中国在铁基高温超导领域的突破曾震惊世界,但在这些材料上,为何会出现如此奇妙的现象,人类现有的理论尚不能完全解释。近日,斯坦福大学的科学家们利用自由电子激光,“拍摄”到了硒化铁材料中,电子随着原子“起舞”的动态画面。这种电子和原子之间的耦合作用,比之前人们认为的强10倍。这暗示着,高温超导还可能有很大的突破空间。

领导该工作的美国SLAC国家加速器实验室首席科学家、美国国家科学院院士沈志勋,向澎湃新闻(www.thepaper.cn)介绍这个发表在上周的《科学》期刊上的成果:“我们相当于给原子和电子们拍了一段每秒100万亿帧的视频,同时空间分辨率达到头发丝的十亿分之一。而好莱坞影片一般是每秒60帧。”

我们当然不能像看好莱坞影片一样,常规地通过屏幕观看这种每秒100万亿帧的动态。研究人员截取了其中大约1000帧,串联出了一段原子和电子之间耦合作用的动画。

每秒100万亿帧!人类拍到了电子随原子起舞的珍贵“电影”硒化铁材料中,电子随着原子“起舞”的模拟动画

这种“影片”拍摄材料在原子尺度上的精彩“表演”,是一种新型的研究方法,能帮助科学家们寻找到更理想的材料。就高温超导而言,相关材料可被广泛应用于核磁共振成像、磁悬浮、量子计算等领域。

非传统超导体

超导是20世纪最重要的科学发现之一,指的是某些材料在温度降低到某一临界温度以下时,电阻突然消失的现象。1913年,荷兰科学家翁内斯(Onnes)凭借发现汞在液氦温度下的超导性,获得诺贝尔物理学奖。而不断提高超导的临界温度,也成了后继科学家们的奋斗目标。一百年来,有近20位科学家因在超导及相关领域的研究突破而获得诺贝尔物理学奖。

那么,超导现象是如何产生的呢?通常情况下,电子在定向运动时会与金属晶格碰撞,形成电阻。1957年,Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理论,即具有相反自旋和动量的电子对通过与晶格振动声子的交换作用,互相吸引,形成库珀电子对。而这个库珀对的大规模集结可以在晶格中无阻碍传输。临界温度的存在,则是因为较高温度下更强的晶格振动,给库珀对造成破坏。三人也因此荣获1972年的诺贝尔物理学奖。

不过,BCS理论并不能解释所有的超导现象。硒化铁就是一种超出BCS理论的“非传统超导体”,能在极端低温下实现超导。2012年,中国的一个研究团队发现,如果把硒化铁薄层置于钛酸锶(STO)基底上,就能大大提高临界温度。虽然这个温度(零下213摄氏度)依然很低,但已足够归入“高温超导”的队列。

两种摄像头

沈志勋的团队注意到了硒化铁这种非传统超导体。在2014年《自然》期刊上的一篇文章中,他们就用角分辨光电子能谱(ARPES)的方法,发现STO基底里的原子振动,传递到了硒化铁中,并给电子提供了额外的能量,以强化库珀对。

这次,沈志勋团队用红外激光照射硒化铁薄层,就像用一把小锤子轻轻敲了一下钟,激发材料中的原子振动。

在固体物理学的概念中,结晶态固体中的原子按一定的规律排列在晶格上。只不过,这些原子并非静止不动,而是围绕其平衡位置不断振动。此外,原子之间也存在相互作用力,使得原子的振动并非相互独立,就像由弹簧连接而成。实验中的红外激光,起到的作用就是“推”动这些弹簧振动。

每秒100万亿帧!人类拍到了电子随原子起舞的珍贵“电影”红外激光照射硒化铁薄层,就像用一把小锤子轻轻敲了一下钟,激发材料中的原子振动

他们再结合自由电子激光(XFEL)和时间分辨ARPES这两个超快“摄像头”,在两个独立的实验中分别将原子和电子的实时运动拍了下来。

首先,研究人员通过超快X射线衍射图像,确定原子的位移情况。接着,他们通过真空紫外“打”出电子,记录电子能带结构的变化。

通过这两个“摄像头”,研究人员发现上述两个变化的频率是相符合的,也就是说,原子和电子踩着同样的歩点“起舞”。

这项研究并不能直接证明,原子和电子之前的强耦合作用,就是硒化铁的超导秘笈。但它离开基于理论的猜想,实践了纯实验的研究。

未参与这项研究的美国芝加哥大学科学家伽利(Giulia Galli)评价道,硒化铁这种材料固然十分重要,许多人想穷究其理,但这项实验采用的方法,即能够实时测量电子和原子间的相互作用,是一个突破。这对材料研究至关重要。未来,通过给材料拍更多的超快“电影”,科学家们可以验证许多理论。

中国也将建成可以给原子“拍电影”的光源

实验使用的光源LCLS(直线加速相干光源),属于“第四代光源“——自由电子激光,隶属美国能源部,由斯坦福大学经营。目前,LCLS正在经历一次价值10亿美元的升级,预计于2019年完成。

今后,沈志勋的团队将继续用这种超高精度、超高速的“超微相机”研究原子和电子之间的互动,首先“拍摄”的主角就是铜基高温超导材料,他告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)。升级后的LCLS将大大推进研究进度,亮度和效率会提高1000倍。

每秒100万亿帧!人类拍到了电子随原子起舞的珍贵“电影”沈志勋和ARPES设备

中国首台“第四代光源”正在上海张江酝酿。比起现有的第三代同步辐射光源“上海光源”,第四代X射线自由电子激光的峰值亮度会提高10亿到100亿倍,脉冲长度可达到飞秒量级(1秒的1000万亿分之一)。可以说,第三代光源只能“拍照片”,而第四代光源才可以“拍电影”。

正如国际科学界的通行做法,上海X射线自由电子激光在建成后将面向全球开放。沈志勋介绍道,目前LCLS的国际用户就比美国用户还要多。当被问及他是否也会成为上海X射线自由电子激光的用户,沈志勋说道:“如果能够申请到机时,我们就会来上海参加用户实验。当然我们必须有好的想法,才能够在激烈的竞争中申请到机时。”

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