鎳基超導中氫元素作用示意圖。受訪者供圖 

　　不久前，美國羅切斯特大學物理學家Ranga Dias宣稱發(fā)現(xiàn)了室溫條件下的超導新材料。此消息一度引發(fā)全球“震動”。畢竟，室溫常壓超導材料一直被眾多物理學家視為“終極目標”，需歷經(jīng)一次又一次的驗證和時間的考驗。

　　盡管實現(xiàn)“終極目標”舉步維艱，但仍讓眾多物理學家為之著迷，電子科技大學物理學院教授、凝聚態(tài)物理研究所所長喬梁就是其中一名。近日，他和團隊也在超導新材料研究領(lǐng)域取得突破，為鎳基超導領(lǐng)域的發(fā)展提供了新思路。研究成果在線發(fā)表于《自然》。

　　氫元素，被喬梁稱為是一只“看不見的手”，它悄悄改變了制備出的材料的物理性能，是影響鎳基超導電性關(guān)鍵而又隱秘的元素。

　　此次研究中，喬梁和團隊首次在實驗中觀察到了奇異電子態(tài)，即巡游的間隙位s軌道（IIS）。在別人忽視的角落，他們牽到了那只“看不見的手”。

　　從鎳入手 

　　1986年初，兩名歐洲科學家發(fā)現(xiàn)以銅為關(guān)鍵超導元素的銅氧化物超導體，為尋找室溫常壓超導帶來了希望。

　　為何這種材料具有較高的超導臨界溫度？這一問題30多年來仍沒有得到完美解答。

　　“科學家一直在思考，能否從類銅材料入手，借助銅基的調(diào)控思路實現(xiàn)新的超導材料，再借此反過來研究銅基超導？這或許會加深我們對高溫超導的理解?！眴塘赫f，元素周期表中與銅元素相鄰，在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上與銅有很多相似之處的鎳元素，成為物理學家心中理想的突破口。

　　2019年8月，美國斯坦福大學教授Hwang課題組率先在基于無限層結(jié)構(gòu)的鎳氧化物外延薄膜中發(fā)現(xiàn)了超導電性。喬梁稱該研究具有劃時代的意義。

　　但后續(xù)鎳基超導的研究卻遇到一系列困惑：為什么無限層鎳基材料可以成為超導？為什么全世界只有少數(shù)幾個團隊可以做出鎳基超導樣品？

　　“物理規(guī)律是客觀存在的。當不同科學家的課題組制備的材料樣品頻繁出現(xiàn)‘性能不能重現(xiàn)’問題時，第一直覺就是材料內(nèi)部可能存在不為人知的‘隱變量’，從而悄悄改變了材料的物理性能。”在研究成果發(fā)布時，喬梁附上了這段話。

　　抱著試一試的心態(tài)，喬梁于2019年9月與學生一起開啟了鎳基超導的研究之旅。

　　摸清“黑匣子”里氫的作用 

　　2021年4月，喬梁團隊在制備的鎳基超導外延薄膜中成功獲得了0電阻的超導電性。

　　當年7月，喬梁帶著團隊繼續(xù)從事超導樣品里氫的調(diào)控實驗。“當時并不知道氫的作用，只是學生碰巧做了?！眴塘夯貞浤菚r有一點“鬼使神差”，但也并不是毫無緣由——在無限層結(jié)構(gòu)鎳基氧化外延單晶薄膜的制備過程中，他們利用氫化鈣進行了還原。

　　“我們通過調(diào)控還原條件發(fā)現(xiàn)，如果溫度不變，逐步增加還原時間，結(jié)果就會發(fā)生‘弱絕緣→超導→弱絕緣’的變化?！北砻嫔峡?，是不同制備工藝導致，但喬梁總覺得這是一個新的角度。

　　“往深一步想，為什么調(diào)控時間會引起這樣的差別？”喬梁注意到，以往沒有任何課題組深究過氫化鈣這種還原劑。“是不是氫元素在起作用？”

　　但這是一個“黑匣子”。氫原子具有最小的原子半徑和原子質(zhì)量，與常規(guī)探測媒介相互作用弱、散射截面小，導致其很難被探測到。

　　隨即，喬梁尋求澳大利亞合作者Sean Li的幫助，利用極高元素敏感性的飛行時間二次離子質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)鎳基超導外延薄膜中存在大量的氫元素，而且氫元素自始至終存在于薄膜晶格外延生長和拓撲化學還原的過程中，并進一步確定了氫元素在材料內(nèi)部的原子占據(jù)位置。

　　2021年11月，喬梁團隊確定了調(diào)控還原時間的本質(zhì)就是調(diào)控氫元素。時間延長，氫元素就多，反之亦然。

　　在極低溫強磁場輸運性質(zhì)研究中，喬梁發(fā)現(xiàn)，在鍶含量不變的情況下，通過調(diào)控氫元素的含量，可以實現(xiàn)“弱絕緣→超導→弱絕緣”的連續(xù)相變，說明氫元素的確對超導電性的出現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。

　　但喬梁又提出了一個問題：為什么調(diào)控氫元素會對超導電性產(chǎn)生影響？氫元素到底產(chǎn)生了怎樣的作用？

　　紡錘形“小包”的發(fā)現(xiàn) 

　　在此之前，喬梁團隊與英國鉆石光源的周克瑾合作，通過基于同步輻射的共振X射線非彈性散射（RIXS）技術(shù)和電子結(jié)構(gòu)計算，研究了鎳基超導體費米面附近的電子結(jié)構(gòu)。

　　喬梁在超導樣品的RIXS圖中，觀察到一個紡錘形的“小包”。他對比了其他幾項類似研究，都沒出現(xiàn)過這種電子軌道。喬梁起初懷疑是測定有失誤，但不知如何解釋。

　　之后，團隊又發(fā)現(xiàn)了氫的存在，才開始考慮是否可以找到氫存在的電子態(tài)證據(jù)。此時，喬梁又想起了那個懸而未決的“小包”之謎。

　　喬梁再次仔細查閱和自己做了類似RIXS實驗的其他已發(fā)表的文章，發(fā)現(xiàn)有的實驗中其實隱約出現(xiàn)過類似的“小包”，只不過被研究人員忽略了。

　　喬梁設想，假定“小包”就是理論預言的IIS軌道，從這個思路對實驗結(jié)果進行反推看能否成立，說不定有助于解釋氫元素與IIS軌道的關(guān)系，及其對超導的影響。

　　“根據(jù)對銅基材料研究的經(jīng)驗，對超導起著決定性作用的是金屬元素的3d軌道?！眴塘航忉屨f，在鎳基超導體中，其費米面附近的電子結(jié)構(gòu)中，IIS、Ni3d、Nd5d等軌道之間存在較強的相互作用。因此，IIS軌道的強烈吸引導致費米面附近Ni3d軌道的有效占據(jù)減少，喪失了超導能力。

　　“氫元素的加入，填滿了軌道空隙，如一只無形的手，導致IIS軌道沒法‘拖拽’Ni3d軌道，產(chǎn)生了類似于銅基超導的費米面電子結(jié)構(gòu)，進而促進超導態(tài)的出現(xiàn)?！眴塘汉屠碚摵献髡唿S兵討論后認為，如果氫元素超過一定數(shù)量，反而會進一步改變Ni3d軌道極化情況，也不利于實現(xiàn)超導。

　　2022年3月，合作團隊最終刻畫出“軌道污染”和“軌道純化”競爭的示意圖，并于4月完成了文章初稿，交稿后，審稿人評價其“極具創(chuàng)新性”。

　　回顧整個過程，喬梁認為，此次研究改變了科學家對鎳基超導材料的基本認知，并提供了一個更為準確和合理的物理模型。研究結(jié)果可以解釋為何僅有少數(shù)課題能成功制備零電阻鎳基超導樣品，因為多數(shù)研究忽視了氫元素對超導的影響，沒有控制這個關(guān)鍵因素。

　　“但提高對氫元素控制的精確度和可重復性還是比較難。我們的研究只是拋磚引玉，提供了一個方向?！眴塘赫f。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05657-2