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这种物质形态前所未见,也许能破解高温超导之

时间: 2015年11月17日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
加州理工学院的物理学家David Hsieh和他领导的团队发现了一种前所未见的物质形态(即“相”),和金属、绝缘体、磁体这类的传统形态全然不同。


在这种相中,电子以一种非同寻常的方式排列。对此特性加以利用,或许能为电子设备带来全新功能,更有可能解开长久以来笼罩在高温超导领域的谜团。

“我们压根儿就没想着会发现这个相,此前也没有任何理论预测到这个相。”Hsieh介绍到,他是加州理工学院物理系的助理教授,之前曾是发现拓扑绝缘体的团队的一员。“整个电子材料领域的驱动力就是发现新的相,这为发现新的宏观物理属性提供了基础。”

Hsieh和同事已经在11月的《自然•物理学》(Nature Physics)上发表了这一发现。论文的第一作者是其研究团队的博士后Zhao Liuyan。

物理学家是在测试一项新技术时做出此惊人发现的。具体来说,是在测试他们新研制的用来检测“多级有序态”(multipolar order)的激光技术时发现的。那么,什么是多极有序态呢?先来想象一个晶体,电子在里面乱跑。在合适的情况下,晶体中的电荷会排列成重复的有序结构,人们管这个叫电荷有序态。由于这是由电荷组成的相态,而电荷又是一种标量,那么用数值或者量级就可以描述这种物质形态。

除了电荷,电子还有一个名为自旋(spin)的自由度。当电子以相同的自旋方向排列在一起时,物质就会呈现出铁磁性——你家的冰箱贴和银行卡都用到了这个特性。由于自旋既有方向也有大小,所以,一个以电子自旋为序的相可以用矢量来描述。

过去的几十年里,物理学家们发明了各种复杂精妙的方法来寻找上述两种相。可是,万一电子们并不以这两种方式排列,那怎么办呢?如果标量和矢量都不足以描述它们,是不是得搬出具有更多维度的东西(例如矩阵)才行呢?这不是不可能的。举个例子吧,相很可能是由一对对自旋方向相反的电子组成的——一个自旋方向向南,另一个向北,这种情况称为磁四极(magnetic quadrupole)。用传统的探测器,很难发现这样的多极有序态。

无巧不成书,Hsieh的研究组发现的新相,正是这种人们寻觅已久的多极有序态。

为了发现多极有序态,Hsieh的研究组利用了光谐波产生(optical harmonic generation)现象,可以说,所有的固体都具有此现象,只不过其强度非常微弱。一般来说,当你用单频率的光照射物体时,反射回来的光也是其原来的频率。用红色激光笔指向墙壁时,你的眼睛肯定会看到红色的光,但是呢,其实还有非常非常少的反射光不是红色的,它们的频率是红光的整数倍。也就是说,反射的也有蓝光,只不过太少你看不到。这些倍频光就是光谐波。

Hsieh的小组的实验利用了“改变晶体的对称性会对每个谐频的强度造成不同的影响”这一已知事实。既然多极有序态的出现会以特定的方式改变晶体的对称性——传统探头根本没法儿发现这种现象,因此,他们打算用晶体对光学谐波的反应来判断多极有序态是否出现。

“我们发现,第二谐频的反射光向我们揭示了一种与已知晶体结构完全不同的对称性,而在反射回的基频光中完全观察不到这一效果,”Hsieh说到,“这清晰的显示了一种特定的多极有序态的存在。”

科学家们研究的这种特殊的化合物叫做锶铱氧化物(Sr2IrO4),是广为人知的人工合成化合物铱酸盐中的一种。因为和铜酸盐具有某种相似性,Sr2IrO4在过去几年吸引了不少人的注意。铜酸盐家族是目前发现的唯一一种具有高温超导(高于-100K,即-173°C)特性的物质。从结构上来说,铱酸盐和铜酸盐十分相似,两者皆是反铁磁性绝缘体。通过化学掺杂(chemical doping)的手段来调节其拥有的电子数量,铱酸盐的金属性会逐渐增强。高浓度的掺杂就能把铜酸盐变成高温超导体。当铜酸盐从绝缘体变为超导体时,会经历一个神秘的赝隙态(pseudogap,外界需要提供额外的能量才能使电子从材料中逃离)。数十年来,科学家们都绞尽脑汁想弄清楚这个赝隙态究竟是从哪儿冒出来的,以及它和超导性有啥关系:是不是要想超导就必须经历赝隙态,还是说赝隙态是一种和超导互相竞争的相态。科学家们认为,只要搞清楚了这些问题,说不定就能研究出与室温接近的高温超导材料。

就在最近,人们在Sr2IrO4中也发现了赝隙态。巧合的是,Hsieh的研究团队在赝隙态出现的掺杂度与温度区间中也发现了多极有序态。研究人员仍在试图弄清这两个现象是否完全重合,但是Hsieh表示这说明多极有序态与赝隙态之间应该有一定的联系。

Hiseh还表示:“前一阵,别的研究组发现Sr2IrO4的超导性与铜酸盐里的特征相同。鉴于铱酸盐和铜酸盐的相似性,关于铱酸盐的研究或许能帮助我们理解赝隙态与高温超导性之间的联系。”

Hsieh还说,此发现强调了研发新工具对于发现新现象的重要性。“正是技术的进步才让此发现成为可能。”Hiseh说到。他还认为其他材料中说不定也拥有多极有序态,因为目前他的研究团队只观察了Sr2IrO4这一种材料。“没准别的材料里也有多极有序态呢,我们下一步就打算研究这方面。”Hiseh补充道。(撰文:Kimm Fesenmaier  翻译:马宏)

原文链接:

http://www.caltech.edu/news/caltech-physicists-uncover-novel-phase-matter-48573#sthash.GpDLo8WP.dpuf

 

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