Nature子刊：研究发现原子畸变引发超导，这为超导体的研究奠定科学基础

莱斯大学的研究人员通过实验和模拟，发现超低温条件下超导铁磷酸盐具有晶格畸变，他们认为，畸变会在材料温度超过某一临界值时引入超导电性。图片来源：莱斯大学

莱斯大学的科学家们得出的的结论改变了物理学家长期以来对超导性的看法。

莱斯物理学家Pengcheng Dai、Andriy Nevidomskyy及其同事用计算机模拟和中子散射实验研究材料的原子结构，揭示了钠，铁，镍和砷铁磷酸盐化合物中的显微晶格畸变。

在超导性最佳的临界温度下，材料的对称原子序中观察到明显的畸变。这表明研究人员的观点可能是正确的，即畸变使铁磷酸盐变为超导体。

本周，莱斯团队以及其在美国、德国、中国的合作者将近两年近的研究成果发表在Nature Communications上。Dai和Nevidomskyy都是莱斯量子材料中心（RCQM）的成员，他们对新现象（如超导性）的基本过程很感兴趣，超导现象是指材料在无电阻的情况下传输电流。

科学家们发现，超低温下的超导性在室温下不可能实现，目前已知最“高温”的超导体也只能在134开尔文时实现超导性，而134开尔文相当于零下218华氏度。

因此，如果要将超导体实际应用，科学家们必须从基本物理原理中弄清楚原子以及原子成分在各种条件下的行为。

这就是为什么莱斯研究人员要研究铁磷脂，铁磷脂这是一种由钠、铁、砷组成的化合物，掺镍时是一种“非常规超导体”。

任何材料实现超导都必须冷却。冷却转变过程有三个阶段：第一，改变晶体结构，发生相变; 第二，发生磁转变，将顺磁性材料转变为反铁磁体，原子在转变方向上交替排列; 第三，向超导性的过渡。有时第一阶段和第二阶段几乎同时发生，具体的过程取决于材料。

在大多数非常规超导体转变过程中，每个阶段对下一阶段来说都至关重要，因为电子时通过库珀对结合在一起，在量子临界点处达到峰值，在该点处磁性有序被抑制，从而呈现超导性。

但是在铁磷脂超导体中，研究人员发现第一次转变有点模糊，因为一些晶格具有线虫相的性质。线虫相来自希腊语中的“线状”，与液体的物理特性相近，可对外力作出反应。

材料超导性的关键在于铁离子特有的性质：晶体结构的转变，原子的有序排列，以及四方正交晶系。 在四方晶系中，原子呈一个方向排列在立方体中，其结构的形状跟板砖相似。

已知钠 - 铁 - 砷的磷酸盐晶体是四方晶系，当冷却到转变温度时，迫使晶格变成斜方晶系，这是较低温度下出现超导性第一步。但莱斯研究人员发现，异常的正交区域远高于结构转变温度。据报道，这种现象不仅发生在低浓度掺杂镍的样品中，在过度掺杂时也会持续存在。

戴先生在美国国家标准与技术研究中心橡树岭国家实验室、中子研究技术中心和亨氏-莱布尼兹中心进行中子散射实验来研究这些材料，他说：“在四方晶系中，晶格的（方形）A和B方向绝对相等”。

“当材料冷却时会变成斜方晶系，这意味着晶格在一个轴上自发地坍塌，但仍然没有磁性顺序。通过非常精确地测量晶格参数及其温度依赖性失真，我们可以分辨出顺磁四方晶系中晶格随温度变化的过程。“

他们惊讶地发现，即使在第一次跃迁的时候，超导性的线虫阶段也会将晶格扭曲成正交的形状。

戴说“整篇论文都指出，在某个温度下出现了局部的畸变，原则上该温度下材料应该是正方晶系。 这些局部变形不仅随温度而变化，而且实际上能顺应超导性。它们的温度依赖性改变了最佳超导性，这表明当局部向列相被抑制时，系统具有向列量子临界点。”

他说：“向列顺序可能会阻碍超导性，但随后表明，向列波动也可能有助于超导性，因为它会改变温度对最佳掺杂的依赖性。”

操纵最佳掺杂点可以使研究人员更好地研发出更新颖、更具有可预测性的材料。

调查理论指导Nevidomskyy说：“电子向列波动在量子临界点附近变得非常大，它们受到局部晶体缺陷和杂质的束缚，表现为我们测量的局部畸变，事实上，当发生局部畸变时，超导性最强，这表明这些向列波动有助于超导性的形成。”