每秒100萬億幀！人類拍到電子隨原子起舞“電影”

　　中國在鐵基高溫超導領域的突破曾震驚世界，但在這些材料上，為何會出現如此奇妙的現象，人類現有的理論尚不能完全解釋。近日，斯坦福大學的科學家們利用自由電子激光，“拍攝”到了硒化鐵材料中，電子隨著原子“起舞”的動態畫面。這種電子和原子之間的耦合作用，比之前人們認為的強10倍。這暗示著，高溫超導還可能有很大的突破空間。

　　領導該工作的美國SLAC國家加速器實驗室首席科學家、美國國家科學院院士沈志勛，向澎湃新聞(www.thepaper.cn)介紹這個發表在上周的《科學》期刊上的成果：“我們相當于給原子和電子們拍了一段每秒100萬億幀的視頻，同時空間分辨率達到頭發絲的十億分之一。而好萊塢影片一般是每秒60幀。”

　　我們當然不能像看好萊塢影片一樣，常規地通過屏幕觀看這種每秒100萬億幀的動態。研究人員截取了其中大約1000幀，串聯出了一段原子和電子之間耦合作用的動畫。

　　硒化鐵材料中，電子隨著原子“起舞”的模擬動畫

　　這種“影片”拍攝材料在原子尺度上的精彩“表演”，是一種新型的研究方法，能幫助科學家們尋找到更理想的材料。就高溫超導而言，相關材料可被廣泛應用于核磁共振成像、磁懸浮、量子計算等領域。

　　非傳統超導體

　　超導是20世紀最重要的科學發現之一，指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度以下時，電阻突然消失的現象。1913年，荷蘭科學家翁內斯(Onnes)憑借發現汞在液氦溫度下的超導性，獲得諾貝爾物理學獎。而不斷提高超導的臨界溫度，也成了后繼科學家們的奮斗目標。一百年來，有近20位科學家因在超導及相關領域的研究突破而獲得諾貝爾物理學獎。

　　那么，超導現象是如何產生的呢?通常情況下，電子在定向運動時會與金屬晶格碰撞，形成電阻。1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理論，即具有相反自旋和動量的電子對通過與晶格振動聲子的交換作用，互相吸引，形成庫珀電子對。而這個庫珀對的大規模集結可以在晶格中無阻礙傳輸。臨界溫度的存在，則是因為較高溫度下更強的晶格振動，給庫珀對造成破壞。三人也因此榮獲1972年的諾貝爾物理學獎。

　　不過，BCS理論并不能解釋所有的超導現象。硒化鐵就是一種超出BCS理論的“非傳統超導體”，能在極端低溫下實現超導。2012年，中國的一個研究團隊發現，如果把硒化鐵薄層置于鈦酸鍶(STO)基底上，就能大大提高臨界溫度。雖然這個溫度(零下213攝氏度)依然很低，但已足夠歸入“高溫超導”的隊列。

　　兩種攝像頭

　　沈志勛的團隊注意到了硒化鐵這種非傳統超導體。在2014年《自然》期刊上的一篇文章中，他們就用角分辨光電子能譜(ARPES)的方法，發現STO基底里的原子振動，傳遞到了硒化鐵中，并給電子提供了額外的能量，以強化庫珀對。

　　這次，沈志勛團隊用紅外激光照射硒化鐵薄層，就像用一把小錘子輕輕敲了一下鐘，激發材料中的原子振動。

　　在固體物理學的概念中，結晶態固體中的原子按一定的規律排列在晶格上。只不過，這些原子并非靜止不動，而是圍繞其平衡位置不斷振動。此外，原子之間也存在相互作用力，使得原子的振動并非相互獨立，就像由彈簧連接而成。實驗中的紅外激光，起到的作用就是“推”動這些彈簧振動。

　　紅外激光照射硒化鐵薄層，就像用一把小錘子輕輕敲了一下鐘，激發材料中的原子振動

　　他們再結合自由電子激光(XFEL)和時間分辨ARPES這兩個超快“攝像頭”，在兩個獨立的實驗中分別將原子和電子的實時運動拍了下來。

　　首先，研究人員通過超快X射線衍射圖像，確定原子的位移情況。接著，他們通過真空紫外“打”出電子，記錄電子能帶結構的變化。

　　通過這兩個“攝像頭”，研究人員發現上述兩個變化的頻率是相符合的，也就是說，原子和電子踩著同樣的歩點“起舞”。

　　這項研究并不能直接證明，原子和電子之前的強耦合作用，就是硒化鐵的超導秘笈。但它離開基于理論的猜想，實踐了純實驗的研究。

　　未參與這項研究的美國芝加哥大學科學家伽利(Giulia Galli)評價道，硒化鐵這種材料固然十分重要，許多人想窮究其理，但這項實驗采用的方法，即能夠實時測量電子和原子間的相互作用，是一個突破。這對材料研究至關重要。未來，通過給材料拍更多的超快“電影”，科學家們可以驗證許多理論。

　　中國也將建成可以給原子“拍電影”的光源

　　實驗使用的光源LCLS(直線加速相干光源)，屬于“第四代光源“——自由電子激光，隸屬美國能源部，由斯坦福大學經營。目前，LCLS正在經歷一次價值10億美元的升級，預計于2019年完成。

　　今后，沈志勛的團隊將繼續用這種超高精度、超高速的“超微相機”研究原子和電子之間的互動，首先“拍攝”的主角就是銅基高溫超導材料，他告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn)。升級后的LCLS將大大推進研究進度，亮度和效率會提高1000倍。

　　沈志勛和ARPES設備

　　中國首臺“第四代光源”正在上海張江醞釀。比起現有的第三代同步輻射光源“上海光源”，第四代X射線自由電子激光的峰值亮度會提高10億到100億倍，脈沖長度可達到飛秒量級(1秒的1000萬億分之一)。可以說，第三代光源只能“拍照片”，而第四代光源才可以“拍電影”。

　　正如國際科學界的通行做法，上海X射線自由電子激光在建成后將面向全球開放。沈志勛介紹道，目前LCLS的國際用戶就比美國用戶還要多。當被問及他是否也會成為上海X射線自由電子激光的用戶，沈志勛說道：“如果能夠申請到機時，我們就會來上海參加用戶實驗。當然我們必須有好的想法，才能夠在激烈的競爭中申請到機時。”