如何评价最近刊登在 Nature 上的常温超导实现

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• 咕噜咕噜SP

  最近看到了这篇文章，过来讲讲我的看法。手机字，介绍的就简单些。
  其实看法很简单，就是说这个东西大家要了解它并非一句常温超导而已，这个现象是全新的，目前大家对于他们看到的是不是超导信号，还存在争议。
  介绍下工作的原作者，胡婉铮。原来是刚从中科院转到量子中心的王楠林教授组内的博士，后来到德国汉堡从事博士后工作。
  首先说超导。大家都知道超导就是温度低于一定值之后，电阻消失，磁场被排出超导体体内。对于常规的超导体，比如Hg，MgB2，他们的超导温度转变温度都很低（~30K一下）。当然在特殊条件下也可以很高，比如也是最近德国马普所的工作，在加超高压的情况下，H2S可以实现190K左右的超导（arxiv上的连接忘了，找到了补上）。而对于80年代发现的铜基超导体和21世纪的铁基超导体，他们的超导温度都远高于常规超导体。比如HgBa2CuO4+delta体系可以有94K。在铜基超导体中，承载超导的结构是CuO2面。大家一开始猜这个面越多就超导越好（具体逻辑这里就不详述了）。结果大家就冲着双层，三层去，发现在加压的情况下，分别可以到138K和168K（或许有记忆错误，大体数值应该对）。但是再往后就不行了。后来有一人觉得这个东西搞薄膜可以提高超导转变温度，于是复旦一堆人又搞了FeSe薄膜，使得超导温度相对于铁基体材料又有较大提升。然而这些距离常温都还很遥远。
  接着讲讲近几年凝聚态内大家在搞的超快光谱学。超快光原理，历史什么的我确实不懂，就不多提了。说的简单些，当一个电磁场打在材料上，必然会与晶体内带点体系耦合，使得体系内产生激发。一般来说，我们研究的都是近平衡态，决定材料电性质的费米面行为，晶格动力学结构都是稳定的。但在一个光刚刚打在材料上的时候，体系还远离平衡会发生什么呢？这个就是大家在凝聚态领域内用超快光谱学的想法。我们可以观察透射、反射，或者拿来做角分辨光谱，各种各样的方法研究体系布里渊区内的。
  好的，这篇工作。11年的时候，大家发现如果用刚刚搞出来的太赫兹激光（能量和声子能量差不多，基本可以理解为可以和声子共振吸收），可以“融化晶格”（melt）。在一些复杂氧化物中，大家就可以拿来融化一些序，从而导致绝缘体到金属的相变，接着诱发超导。令人惊奇的是，大家居然在YBa2Cu3O6+x体系里面观察到了常温信号。然而这个信号只能持续ps量级，他们所观察的物理可以说还是时域的。主流的观点还搞不清楚他们看到的是不是超导，学界有争议。可以认为是"a healthy dose of skeptism"。他们最近的文章说，他们利用了IR声子模和4中对称性名称为A1g的Raman声子模的强耦合，4种Raman声子模都对应着apical的O原子（CuO2面边上的一个氧原子，普遍在所有的Cu基超导体中存在）向CuO2面的靠近，以及CuO2面自身的buckling。其中buckling的这个模式，种种迹象表明他似乎等效于一个更高的掺杂（在这些体系中，平时改变掺杂会改变转变温度），另外也会抑制诸如密度波序（CDW）的序（这个东西大家目前认为他对超导有抑用）。但是这篇12月4号发出来的nature也指出，这些都是对这个东西研究的开始。
  他们这个工作必须在双层CuO2面的结构内才能实现，是因为IR模和Raman模的对称性的原因（具体也不说了）。所以胡婉铮同学也在积极寻求北大李源组刚刚长出的高质量双层HgBaCuO单晶的样品。
  在我看来，这个现象的意义更多的在于可以为超导基础研究带来新的角度（换句话说，再次炒热这个领域，虽然它是凝聚态的王道，不过大家炒冷饭也炒了好多年了）。非平衡态下，我们可以实现很多在平衡态下实现不了的系统状态，使得某些序被抑制，某些被增强，这样与过去的研究对比，可以更好地厘清高温超导这个复杂问题的头绪（换句话说，除了累计实验，过去大家对于超导的认识，还停留在现象学上）。高温超导研究的大致想法就是：反正超导相本身我们是没什么希望研究清楚了，就研究研究超导相边上可能出现的相吧。这20年里面发现的stripe phase，psuedogap，CDW，SDW，two-magnon一系列序，都出现在超导附近，他们都有可能与超导之前存在相互作用。厘清他们的关系确实是向搞清楚高温超导原理进的突破口。如果这个体系里面什么东西都混在一起，自然是不好研究的，如果能够disentangle某些东西，这会非常有趣。希望ultrafast spectroscopy能够带来这样的机遇。
  【陈健驰的回答(7票)】:
  由于本渣在之前上课也看过不少有关Supercon的论文和历史，就先说两句话。
  Yttrium barium copper oxide 的结构：
  
  可以看到，YBCO里面有CuO2双层平面，CuO4 Ribbon，和CuO链。而此项研究的原理正是CuO2平面和CuO链的能带结构变化以及电荷转移。事实上正如这篇文章可以看到，YBCO里面有CuO2双层平面，CuO4 Ribbon，和CuO链。而此项研究的原理正是CuO2平面和CuO链的能带结构变化以及电荷转移。事实上正如这篇文章Self-doping processes ween planes and chains in the metal-to-superconductor transition of YBa2Cu3O6.9 : Scientific Reports : Nature Publishing Group所说，这二者之间的interaction一直就是超导研究的焦点之一。
  这项研究的本质是用超短脉冲激光来引导YBCO至激发态。在诱导过程的暂态（transient state）里，CuO链中的氧和铜原子距离缩短了2.2-2.4皮米（10^-12m），从而导致了其能带能量减少零点几meV（毫电伏）。由于在平衡态下这些能带本来就很接近其费米能级，所以这样一个能量变化导致了CuO2平面和CuO链之间的轨道杂化（hybridization）大大降低，从而改变了其费米面（Fermi Surface）的形状和性质，使得其有了更强的
  
  对称性和更高的空掺杂浓度（hole doping），这也可能是其在室温300K下有了短暂超导性质的原因。
  
  下面说点人话。
  是否是突破性的：
  是。对于暂态物质结构变化的研究目前非常不完备，本文用LCLS同步激光来观测结构的做法非常有参考意义。同时此项研究让我们认识到激光诱导物质结构变化具有巨大潜力，为将来进一步研究激光与合金的相互作用开辟了道路。
  是否是性的：
  不好说，但是目前看来还不是。首先，从超导意义上来讲，其原理和高温（注意，高温比室温低多了。。。）超导的d-symmetry解释并无二致，而且d-symmetry也是首先在YBCO中验证，本研究发现激光可以在室温下暂时加强d-symmetry，但并没有革新我们对超导的认识。第二，本研究中一些现象还不能定量解释，文中也用了很多qualitative的词语和猜测性的语句，更深层次的计算和分析还有待发掘。
  Nature原文：;lt;br />（需要access才能看全文）
  【刘奥的回答(3票)】:
  果壳网已经有报道了 室温超导，梦想不再遥远
  简单地说，马普所的研究人员2013年发现，用红外激光照射 YBaCuO 后很短的时间内，它会暂时在室温下变成超导体，但是具体原因并不清楚。2014年，它们用 LCLS 作为激光源测量红外激光照射后的 YBaCuO 晶体结构变化，发现红外激光造成了 YBaCuO 中的原子发生微小（pm）的位移，因此出现了瞬间的室温超导。这一发现可能对于启发人们寻找室温超导材料有所帮助。
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  我还是头一次听说 LCLS 这个全球最强激光炮，以前听到同步辐射就觉得NB得不行了（真是孤陋寡闻啊= =#）。也就这种光源才能看出 2pm 的原子位移吧…
  不过这么强的激光源真的不会造成更大的原子位移吗？（或者说直接把样品轰成渣…）此外 2pm 的位移是怎么和热振动（声频波）区分的呢？我没有具体看文章，不过想来这些问题在论文中是有解答的。

  浏览 363赞 151时间 2023-11-02