30年疑问得解：物理学家揭开了世界上最薄超导体的秘密

来自三大洲的物理学家团队，刚刚报告了首个能够解释迄今最薄超导体背后不寻常电子行为的实验证据。得益于极其高效的导电特性，这种只有单原子层厚度的材料，有望在无数场景下得到广泛的应用，比如带来更好的医学诊断等。

研究团队成员（图自：Diamond Light Source）

这项由麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室物理学家领衔的开创性工作，主要归功于全球范围内也屈指可数的新设施和新仪器。

由此产生的数据，有助于指导更好的超导体开发，反之又可推动医学诊断、量子计算、能量传输等领域的发展。

研究主要作者 Jonathan Pelliciari 博士（图自：Brookhaven National Laboratory）

这项工作的主题，旨在研究一类激动人心的超导体。因其超导特性的温度较传统材料（约 10 开尔文 / -442 ℉ / -263℃）高了一个数量级，使之更有望在现实中投入使用。

不过当前面临的主要问题是，这类高温超导体的行为，仍然没有被物理学家完全理解。MIT 助理教授 Riccardo Comin 表示：“它们的微观激发和动力学，对于超导特性的理解至关重要”。

BNL RIXS 仪器部分特写（图自：Diamond Light Source）

经过 30 年的研究，许多问题仍然悬而未决。不过 2015 年的时候，科学家们已经发现了一种新型高温超导体，它就是能够在 65 开尔文环境下实现超导、只有单原子厚度的硒化铁片。

但是块头大得多的相同材料，必须在低至 8 开尔文的温度下，才能实现超导。MIT 材料研究实验室的 Comin 表示，这一发现引发了全球科学家想要破译迄今最薄超导体秘密的研究热潮。

研究配图 - 1：FeSe 块体结构

研究发现：在普通金属中，电子的行为就像一个人在房间里跳舞一样。而在超导金属中，电子会像舞伴一样成对移动，好像它们就是量子编舞的一部分，最终形成了一种电子超流体。

然而将这些电子对结合到一起的相互作用，又是哪种神秘的“胶水”呢？Comin 指出：科学家们已经知道，传统超导体中的“胶水”，源于材料内原子的运动。

研究配图 - 2：通过总电子产率测量的边缘 X 射线吸收光谱

然而在纳米尺度上，其实发生了很多的事情。在这种材料的内部，电子会向着所有可能的方向飞来飞去，原子发出了“嘎嘎”的振动声。不过在传统超导体中，电子却是借助存储在原子运动中的能量来配对的。

高温超导体中电子配对背后的“胶水”，与之有着明显的不同。在一种假设中，科学家们认为它与被称作“自旋”的电子特性有关（另一个我们更加熟悉的特性，就是它们的电荷）。

研究配图 - 3：双波 / 初始波段的哈伯德模型

Pelliciari 表示，自旋可被视作一块最基础的磁铁。在有关高温超导体的假设中，电子能够从从自旋中获取一些激发能量，而这也是其用于配对的“粘合剂”。

此前，大多数物理学家都认为无法检测、或测量只有但原子层厚度材料的自旋激发，而这也是新研究团队在《自然通讯》期刊上所提到的非凡成就。

研究配图 - 4：自旋敏感性与共振非弹性 X 射线散射（RIXS）数据的比较

据悉，物理学家们不仅检测到了自旋激发，还发现了超薄样品中的自旋动力学与大块样品中的情况截然不同。具体说来是，前者波动自旋的能力，较后者高出了 4~5 倍。

Pelliciari 表示：“这是单原子厚度的材料中存在自旋激发的首个实验证据”。感兴趣的朋友，可翻阅 Nature Communications上的《Evolution of spin excitations from bulk to monolayer FeSe》一文。