超导体研究的前沿：从低温到高温的突破

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超导体研究的前沿：从低温到高温的突破

近年来，超导体研究领域取得了显著进展，科学家们不断探索能够在更高温度下运行的超导体机制。最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文详细介绍了一种可能帮助科学家开发能够在更高温度下运行的超导体的机制。这一研究由康涅狄格大学（2024USNews美国大学排名：58）物理系研究员兼助理教授Pavel Volkov与斯坦福大学的Zhaoyu Han和Steven A. Kivelson合作完成。本文将从多个角度探讨这一研究的背景、理论基础、电子配对在超导性中的角色以及未来可能的研究方向。

超导体的历史背景与理论发展

超导性于1913年被发现，但直到1957年，Bardeen、Cooper和Schrieffer（BCS）才提出了第一个理论，他们后来在1972年获得了诺贝尔物理学奖。BCS理论将超导性归因于电子配对，使这些对能够无耗散地通过材料移动。在BCS理论中，电子对通过材料的振动和变形结合在一起。大多数金属由排列成晶格的正离子组成，而负电子可以通过它们移动，传导电流。随着它们的移动，它们扰动晶格，因为离子被电子吸引。

Volkov解释说：“一个电子产生的变形会被其他电子感受到，就像两个保龄球在蹦床上一样，电子更喜欢彼此靠近，最终配对。”科学家们一直在研究超导性及其理论后果，接下来的问题是我们能将临界温度提高到多高？

提高超导体临界温度的机制

尽管最近关于室温超导体的研究论文被撤回，但物理学家们对该领域的未来仍然持乐观态度。上周，《自然》杂志撤回了一篇声称发现了室温超导材料的论文，该材料据称可以在不产生废热和不需要制冷的情况下导电。这一撤回对室温超导体的研究造成了一定打击，但并未动摇科学家们的信心。近年来，超导体研究取得了显著进展，多个研究团队在不同材料和条件下实现了高温超导。尽管存在争议和挑战，科学家们认为当前是超导体研究的“黄金时代”。他们相信，通过不断的实验和理论研究，未来有望实现真正的室温超导体，这将对科学和技术产生深远影响。

Volkov解释说，传统的电子与晶格之间的相互作用是通过电子产生的变形来思考的。然而，晶体中的离子也是量子对象——它们同时存在于多个位置。研究人员表明，通过这种机制，可以通过纳米级工程优化耦合。Volkov说，他们认为制造超晶格的有前途的材料是钛酸锶，但尚未制造出这种材料的超晶格来验证理论。

电子配对在超导性中的角色

电子配对是超导性的重要机制之一。铁硫族化合物超导体FeSe1−xTex展示了丰富的现象，这些现象是由轨道依赖的能带移动和电子关联引起的。此外，由于Fe d带和硫族pz带之间的能带反转，它们是拓扑超导性的潜在候选者。通过角分辨光电子能谱（ARPES）详细研究了FeSe1−xTex（0 < x < 0.4）的电子结构，以理解轨道依赖的能带移动、电子关联和硫族带的作用。研究评估了使用三带低能模型的有效质量变化，并通过与DFT能带结构计算的比较来进行能带重整化。

结果显示，在向费米能级移动的过程中，dxy轨道特征的能带变得更加相关，并随着Te浓度的增加和第二超导穹顶的出现而增强。研究表明，dxy孔带对硫族高度非常敏感，可能涉及促进额外的配对通道并增加态密度，从而稳定FeSe1−xTex中的第二超导穹顶。这种dxy孔带的同时移动和增强的超导性与FeSe1−xSx形成对比。FeSe1-xTex材料是重要的非常规超导体家族，但由于缺乏单晶，其向列相研究较少。在这项研究中，作者系统地研究了向列FeSe1-xTex的电子结构，观察到随着Te含量的增加，dxy轨道逐渐移动和重整化，同时超导性增强。

潜在的超晶格材料

一项新研究发表在《物理评论快报》上，探讨了通过形成量子双极子来增强超导性的二次电子-声子耦合的潜力。电子-声子耦合是电子与晶格中振动（称为声子）之间的相互作用，这种相互作用对于某些材料的超导性至关重要，因为它促进了库珀对的形成。库珀对是通过吸引相互作用结合在一起的电子对，当这些库珀对凝聚成相干状态时，材料就会表现出超导特性。研究人员希望研究二次耦合是否能增强超导性，即相互作用能量与声子位移的平方成正比的情况。

研究人员扩展了霍尔斯坦模型以纳入二次电子-声子耦合，发现当电子-声子相互作用较弱时，电子配对形成库珀对的机制不太有效，导致低临界温度。然而，当相互作用较强时，会形成量子双极子，这些双极子在低于临界温度时可以自由移动，从而实现更高的超导转变温度。研究表明，这种机制允许更高的转变温度，至少在强耦合情况下是如此。

未来的研究方向包括寻找超导性的最佳耦合强度，并希望实验学家能探索具有大二次电子-声子耦合的超晶格材料。研究人员还指出，利用界面或扭曲材料之间的超晶格可能是实现这种超导性的一条有前途的途径。

未来展望

在《Advanced Science》期刊上发表的一项研究中，中国科学院深圳先进技术研究院的钟国华教授领导的研究团队预测了碳笼网络中超过100K的超导性。通过利用第一性原理计算，他们设计了具有碳笼网络结构特征的碳化物，实现了强大的电子-声子耦合，超越了传统碳化物如钻石、石墨烯、碳纳米管和富勒烯的超导转变温度。最近，轻质元素化合物中的超导性，特别是在常压高温超导性方面，引起了广泛关注。碳材料作为轻质元素化合物的代表，被认为是未来材料的基石。

尽管在某些碳基材料中已经检测到超导性，包括钻石、石墨烯、碳纳米管和富勒烯，但其超导转变温度（Tc）仍低于液氮的沸点77K。为了探索具有更高Tc的碳材料超导体，研究人员设计了两种新型碳结构，具有笼状网络，并通过引入金属掺杂仔细研究了它们的超导性。这些笼单元C24和C32通过共享表面连接，形成晶体结构。高通量计算预测，这些笼状网络结构在掺杂金属时可以在常压下表现出高温超导性。特别是，掺杂钠、镁、铝、铟和铊金属的C24笼网络晶体表现出超过100K的高温超导性，不仅超过了常见碳材料如钻石、石墨烯、碳纳米管和富勒烯的Tc，而且远远超过了液氮的沸点。

此外，研究人员揭示，笼结构的耦合起到了关键作用，与其他碳材料相比，导致更强的电子-声子相互作用，从而实现更高的Tc。他们发现，具有笼网络的碳化物的超导性在很大程度上取决于引入金属的电负性和掺杂浓度。较弱的电负性和较高的掺杂浓度往往会产生更高的Tc值。钟教授表示：“我们的研究为高Tc超导体的发展提供了一条有前途的途径。我们预计这项工作将激发基于碳化物的高温超导体的实验和理论研究。”

综合总结

综上所述，超导体研究领域正处于一个激动人心的时期。尽管面临诸多挑战和争议，科学家们通过不断的实验和理论研究，正在逐步揭示超导性的奥秘。康涅狄格大学和斯坦福大学的研究团队提出的机制为未来开发高温超导体提供了新的思路。通过纳米级工程优化耦合，制造超晶格材料如钛酸锶，科学家们有望实现更高的临界温度。此外，电子配对在超导性中的角色以及潜在的超晶格材料也为未来的研究提供了丰富的方向。随着研究的深入，我们有理由相信，真正的室温超导体将在不久的将来成为现实，对科学和技术产生深远影响。