传统超导体的四个经典特征
1987 年，中国科学家赵忠贤研究团队和美国朱经武、吴茂昆团队各自独立在钇钡铜氧系材料（Ba-Y-Cu-O）中发现超导电性，并把超导临界温度从 40K 迅速提升到 93.2K，大大突破了麦克米兰极限。铜氧化物成为第一个真正意义上的高温超导家族。而赵忠贤等人的发现，也使得超导体所必须的低温环境，可由原本昂贵的液氦替代为便宜而好用的液氮来创造，为超导材料实用化打开了大门。
通常，超导体会表现出四个经典的特征：1) 零电阻：当冷却到一定温度以下时，它会无电阻地导电；2）完美抗磁状态：它会排出磁场，因此放置在其顶部的磁铁会悬浮；3) 比热的跳跃：它的热容量——将其温度升高给定量所需的热量——在材料过渡到超导状态时显示出明显的异常；4) 与跳跃相关的光谱奇点：当材料从其正常状态转变时，电子克服相互排斥并形成所谓的库珀对，并凝聚成一种允许电流自由流动的电子汤转变为超导状态。
图1. 传统超导体的四个经典特征。
虽然科学家们很快在非常规的氧化铜或铜酸盐超导体种观察到超导的三个经典特征：零电阻，完美抗磁状态（即磁悬浮）和比热的跳跃。但是，与跃迁相关的光谱奇点，仍然未知。
但是在非常规的铜酸盐中，科学家推测电子会在某一个温度下形成库珀对，但在冷却到明显较低的温度之前不会凝结。只有在那个时候，材料才会变得超导。虽然目前已经用其他方法探索了这种转变的细节，但直到现在它还没有在微观尺度上捕捉并得到证实。例如，物质如何吸收光和发射电子的光电子能谱，这是衡量材料中电子行为的重要指标。
十五年磨一剑，首次捕捉到超导体的第四个特征，填补领域空白！
2022年1月27日，中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士沈志勋教授课题组通过对过掺杂 (Bi,Pb) 2Sr 2CaCu 2O 8+δ (Bi2212)的高精度角分辨光电子能谱 (ARPES) 研究，首次捕捉到铜酸盐超导体的第四个特征：Bi2212在两个不同的步骤和非常不同的温度下转变为超导状态。通过研究光谱的全部动量、能量和温度演化，研究人员发现这种热力学异常现象主要归功于跨相变温度（Tc） 的间隙内光谱强度的奇异增长。
“这是 15 年科学侦探工作试图了解电子结构的高潮。我们的工作为非常规超导的整体图景提供了缺失的环节”。斯坦福大学材料与能源科学研究所 (SIMES) 的研究员、斯坦福大学教授沉志勋教授说道，“我们知道，当成对的电子合并成量子凝聚体时，这些材料应该会产生独特的光谱特征；令人惊奇的是，我们花了这么长时间才找到它。”
相关研究成果以“Unconventional spectral signature of Tc in a pure d-wave superconductor”为题，发表在Nature上。斯坦福大学Chen sudi博士（目前在加州大学伯克利分校从事博士后研究）和SLAC国家加速器实验室Makoto Hashimoto为论文的共同第一作者。
剥物理“洋葱”，ARPES技术助力解析材料内部的电子结构
几十年来，沈志勋院士一直对能使磁铁悬浮的电子的奇怪行为十分好奇，这使他几十年后在超导与凝聚态物理领域取得相当成就，不仅是为了探索超导基础的物质的量子态，而且还为此开发了极为先进的工具，特别是发展并开拓了电子的能量、动量、自旋、时间和空间的高精密测量技术，这为揭示电子的怪异的协作行为，解锁各种量子材料超导性提供了“钥匙”。早在读博期间，沈志勋院士开始着手将自己一直在使用的称为角分辨光电子能谱法（ARPES）的技术应用于新的超导体。
角分辨光电子能谱（Angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES）是唯一一种可以对动量空间中能带结构进行精确表征的实验技术。当光照射到材料上，材料中的电子可以吸收光子的能量，当电子的动能可以克服材料表面功函数的束缚时，电子会从材料中逃逸出来。利用能谱仪收集这些电子，并根据其出射角度和能量，可以推断出材料内部的电子结构，在高温超导、石墨烯和拓扑绝缘体等领域里发挥着至关重要的作用
图2. 角分辨光电子能谱法（ARPES）
“最近这些仪器整体性能的改进是获得这些高质量结果的重要因素，” Makoto Hashimoto说。 “它们使我们能够更精确、更稳定、更一致地测量喷射电子的能量。”
在这项研究中，研究人员将日本合作者制备的铜酸盐样品在两个 ARPES 装置中进行了测量，一个在沈志勋院士的斯坦福实验室，配备了紫外线激光器（图3），另一个在 SLAC 的斯坦福同步辐射光源 (SSRL)。
图3. 沈志勋院士及实验装置
研究人员首先通过光谱学探测动量分辨的电子比热，并重现Tc处的比热峰值，从而完成了对超导性的缺失环节的整体描述。随后，通过研究光谱的全部动量、能量和温度演化，揭示了这种热力学异常的原因，主要归功于跨Tc的间隙内光谱强度的奇异增长。此外，研究人员还观察到间隙内强度的温度演变在动量空间中是高度各向异性的，并且间隙本身遵循 d 波函数形式和粒子 - 空穴对称性。
图4.Tc的光谱特征。
图5. 间隙的粒子-孔对称性。
总而言之，通过使用高精度 ARPES 测量，研究人员发现了超导跃迁的光谱特征。 该工作统一了铜酸盐超导体的光谱和热力学结果，并为具有强相位波动的 d 波超导体的比热建立了微观范式。
“对这些非常规材料的长期研究就像从洋葱上剥下一层层，揭示了其中令人惊讶和有趣的物理特性。”沈志勋院士表示，确认向超导性的转变发生在两个单独的步骤中“为我们提供了两个旋钮，我们可以调整这些旋钮使材料在更高的温度下超导。”
参考文献：
Chen, SD., Hashimoto, M., He, Y. et al. Unconventional spectral signature of Tc in a pure d-wave superconductor. Nature 601, 562–567 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04251-2
作者简介
沈志勋，男，现任斯坦福大学讲席教授，斯坦福大学SLAC国家实验室首席科学家，美国国家科学院院士，美国人文和科学院院士。1962年7月生于浙江，1983年毕业于复旦大学，1989年获美国斯坦福大学博士学位。2017年当选为中国科学院外籍院士。
沈志勋院士在凝聚态物理和复杂材料研究中做出了开创性工作，是学术界公认的凝聚态物理领域国际一流科学家。他获得物理领域一些最重要的国际奖项：斯隆基金会研究员奖（1993）；美国能源部基础能源科学杰出成就奖（1994）；美国物理学会百年大庆特邀演讲（1999）；2000年获首届国际超导实验物理最重要的大奖：H. Kamerlingh Onnes Prize；2009年获美国能源部代表美国总统颁发的科学大奖：Ernest Oland Lawrence Award；2011年获美国物理学会的凝聚态物理的最高奖：Oliver E. Buckley Prize。
沈志勋院士发展并开拓了电子的能量、动量、自旋、时间和空间的高精密测量及其在凝聚物理学及其相关的交叉学科的应用。为某些学科的兴起发挥了关键性的、有的是决定性的作用。特别是他对现代角分辨光电能谱的发展和对铜基超导体和其他量子材料的认知做出了开拓的贡献，改变了强关联材料的研究格局。他还在现代光源和自由电子激光以及量子材料原位生长领域均做出了重要的贡献，对未来凝聚态物理、材料、能源、信息等相关学科的发展具有很大潜力。
沈志勋教授先后在Nature, Science，Review of Modern Physics, Physical Review Letters等国际顶尖杂志上已经发表高水平论文1320余篇，论文被SCI总引用超过7万次，其中单篇被引用>1000次超过10篇；H因子128。他的奠基性工作和学术带头人作用被国际同行普遍认可，先后在重要学术会议上做邀请报告300多次，是国际上该领域领军人物。他培养的学生和博后现已有35位成为国际知名大学的教授，包括加州大学伯克利分校,康奈尔大学, 约翰霍普金斯大学，普林斯顿大学，德州大学奥斯汀分校，东京大学，东京工业大学，大阪大学, 巴黎大学，牛津大学、日内瓦大学、复旦大学等。
来源：高分子科学前沿
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