清华朱静院士团队在超导领域取得“重大突破”

来源：中国科学报

作者：韩扬眉

2017年， 中科院院士、清华大学教授朱静进入了一个她不熟悉的超导材料研究领域。在近十年的测定量子材料序参量的电子显微学方法研究基础上，朱静团队在超导材料中获得了一些重要发现。

2023年2月22日，《自然》杂志刊发了朱静团队与合作者的最新研究成果。团队利用洛伦兹透射电子显微镜，在实验中首次直接观察到了欠掺杂的YBa2Cu3O6.5样品中赝能隙态下存在的拓扑磁涡旋结构。

两位审稿人给出了“重大突破”“重要一步”的高度评价。

“被人忽略”的强大工具

1986年，德国科学家贝特诺茨和美国科学家缪勒发现，铜氧化物陶瓷材料在较高温度下出现了超导现象。这被认为是科学发展的重大突破，也为我们揭示了一个新的微观量子世界。

几十年来，一大批科学家投身高温超导研究行列，试图解决其中最具挑战性的问题——高温超导现象发生机制。

2017年暑假，朱静在清华大学的校园里遇到了中科院院士薛其坤，他们是“忘年交”，薛其坤笑着说，“朱老师，您怎么不做超导？”朱静回答说：“超导我也不懂，我也没有材料。”随后，朱静来到薛其坤的办公室，看到了许多超导的相关研究成果。

作为我国材料电子显微学领域学术带头人，朱静从事电子显微学研究60余年，她对于如何进一步利用电子显微镜中电子和物质的交互作用产生的各种信号，有着深刻地认识。但朱静未想过涉足超导领域，她深知，超导研究是非常不容易的。

“蹭”课、读文献和专业教材，朱静一步步从基础学起，渐渐地她了解到，“高温超导的超导机制不清楚，特别是原子尺度的超导研究更为缺少。”

若能从原子层面了解高温超导体材料的序参量，将对高温超导机制的理解具有深刻意义。而电子显微学能发挥强大作用，只不过人们往往将它的功能只聚焦在点阵研究上。

自2013年起，朱静团队一直致力于发展量子材料序参量的电子显微学研究，他们利用磁光材料在高分辨率下，协同实验测量晶格、电荷、自旋、轨道、拓扑量子序参量的有效性和优势，使人们能够深入了解多个量子序参量之间隐藏的耦合效应，从而进一步指导了各种复杂功能材料的研究和开发，相关研究成果于2021年发表在《美国科学院院刊》上。

朱静说，由于铜氧化物的原子结构和电子结构的复杂性，高温超导现象在微观机理研究方面还存在着许多需要解决的科学问题，所以需要具有在实空间，多尺度（从微米尺度到原子尺度）空间分辨率高的实验手段来进行研究。

“我们使用的主要实验技术，是最先进的透射电子显微镜及其与之发展起来的洛伦兹和原位（从10K-340K）电子显微学技术，以及一个可以在原子尺度下，表征物质的晶格、电荷、轨道、自旋和拓扑等量子序参量的强大工具。”朱静说。

深夜12点半的惊喜瞬间

揭示和理解高温超导中赝能隙态下所蕴含的丰富物理现象，是凝聚态物理领域面临的重大挑战之一。

赝能隙现象出现在高温超导体的正常相中，赝能隙是高温超导体中发现的一个让人非常困惑的物理现象，与高温超导机理之间的本质联系，是高温超导研究的核心问题之一。

朱静表示，高温超导铜氧化物的赝能隙态处于超导转变温度之上, 位于T*（赝能隙态转变温度）温度之下。过去，已有实验结果表明，在特征温度T*以下，存在时间反演对称性破缺。但是赝能隙态的起源和时间反演对称性破缺态与超导性的关联，一直是不完全清楚的科学问题。如果能够在实空间更加清楚地解析赝能隙态下的异常磁结构，可以帮助人们进一步理解高温超导中赝能隙态下丰富的物理。

过去，相关研究利用透射电子显微镜研究高温超导铜氧化物及其物理，主要集中在室温区。但是，由于高温超导的丰富物理往往出现在低温条件下。

“如何在透射电镜中，实现在低温到极低温的条件下，对铜基高温超导体的相关物理研究，是一个很大的挑战。”朱静说，基于此，他们利用液氦样品杆，实现“全温区”范围的研究。

没有新样品材料，朱静选择了高温超导材料中最经典的两种：钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧（BSCCO）作为研究材料。

与此同时，朱静团队利用了复旦大学电子显微镜实验室的新安装的、当时中国最先进的电子显微镜和液氦样品台合作开展样品测试。开始实验前，朱静也不知道能看到什么现象，只是有种直觉：超导与磁性有很大关联！朱静告诉学生，注意铜基高温超导中的赝能隙态下的异常磁激发问题。

然而，在复旦大学实验室的一个星期里，科研团队一无所获，便准备回京。临行前的最后一晚，团队成员“不甘心”，打算再熬一宿试试。

半夜12点30分，几乎在一瞬间，电脑屏幕上的图像发生了清晰地“异动”，是量子序参量的拓扑涡旋磁结构。科研人员顿时困意消失，“这就是异常磁激发！”于是，通过在透射电镜中原位施加温度场和磁场，得到了该拓扑涡旋磁结构的温度—磁场—空穴掺杂相图，实验一直做到了第二天早上8点。

“事实上，超导材料中异常磁激发在2006年由法国学者用中子衍射方法发现，但是他的研究一直没有给出清晰的物理图像，使得这个异常磁激发分支至今被人们忽略了。”朱静告诉《中国科学报》，由于现代电子显微镜镜具有较高的点阵分辨率和空间分辨率，我们可以在实空间纳米尺度下，实现对材料中的微观磁结构的直接探测，最终发现了赝能隙态下存在的拓扑磁涡旋结构。

“做研究者要热爱研究、要成天琢磨科学问题”

通过重复实验和解释分析，并结合对应的原子结构和电子结构序参量，给出了该拓扑磁涡旋结构可能的起源。

该研究结果表明，拓扑磁涡旋结构与电荷密度波相存在竞争关系，能够在较宽的温度范围内与超导相共存，这表明此拓扑磁涡旋结构在高温超导机制中可能具有促进作用。

同时，该拓扑磁涡旋序的发现给赝能隙态下时间反演对称性破缺提供微观上的直接图像，为人们进一步理解和研究铜氧化物中赝能隙态下时间反演对称破缺提供了新的思路和见解。

两位审稿人评价：“该实验结果对理解赝能隙态有重大突破，应该可以发表在任何期刊上”“该工作对理解赝能隙态重要的一步”。

“做研究带来了很多快乐。”朱静说，思考是一件很重要的事情，理解和解读实验现象的过程也是有趣的，她一直记得曾经导师的一句话：“What you think, what you see.”。

因无法再操作具体实验，朱静与学生们保持着密切的交流，有时她提出想法，指导学生予以实现，有时也被学生的想法启发，教学相长。

“年轻人很聪明，要鼓励他们热爱所做的事情。做研究一定得是高兴的。他们热爱研究、发自真心的感到高兴，忘我地投入思考，就会有更多的新想法。”朱静笑着说。

在朱静看来，这一实验并非完全能够解释高温超导的机理，其背后可能隐藏着更加丰富的物理知识，对凝聚态物理的研究也将产生启发，她正带着学生开展下一步的工作。

YBa2Cu3O6+x拓扑磁涡旋序的相图（受访者供图）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05731-3