记者韩杨梅

1986年，德国科学家贝瑟诺德和美国科学家缪勒发现氧化铜陶瓷在高温下发生超导现象。这被认为是科学发展的重大突破，为此他们获得了1987年的诺贝尔物理学奖。

「高温超导」为什么会出现，背后的机制是什么？30多年来，全世界的科学家都在努力寻找答案，超导的确切机制至今难以破解。

中国科学院物理研究所(以下简称物理所)研究员金葵及其合作者组成的国际团队历时7年进行了系统实验，利用材料基因工程“连续组分外延膜及匹配跨尺度表征技术”，获得了奇异金属散射(线性电阻斜率A1)与高温超导转变温度(Tc)之间的普适物理规律(A10.5 ~ Tc)。相关结果最近发表在《自然》中。

从“奇异金属”中寻找答案

超导自诞生以来，已经研究了110年。早期对超导的研究主要集中在传统的金属和合金，它们的超导转变温度通常较低(30K)。在超导转变温度以上，超导体处于正常状态，类似于普通金属。超导转变温度是“临界温度”。当物质进入超导状态时，其电阻率为0，完全抗磁性。

1957年，科学家构建了声子介导的电子对(Cooper对)图像，首次建立了超导微观理论，成功解释了传统金属和合金中的超导性。

1986年，科学家发现了氧化铜超导家族的高温超导现象。随后，科学家不断发现“更高温度”状态下的超导性，其超导转变温度在常压下达到135K。现有的实验结果证实高温超导体中也存在电子配对现象。

“经过30多年的研究，高温超导的机理还没有达成共识，已经成为凝聚态物理研究的跨世纪难题。原因是高温超导体的复杂性使得研究人员对决定其转变温度的重要物理量的实验知识仍然不足，无法激发理论突破。”通信作者金葵告诉《中国科学报》。

随着研究的深入，越来越多的证据表明，高温超导机制的奥秘可能存在于超导的正常状态。

金葵解释说，对于铜氧化物超导体来说，当温度上升到超导转变温度以上时，其电阻率与温度成线性关系，也称为“奇异金属”行为，是高温超导体正常状态下最“反常”的特性。然而，“奇异金属”的机制起源也是未知的。实验结果表明，稀有金属和高温超导是相辅相成的。

“这说明HTS和奇异金属这两种看似不相关的物理效应密切相关，为我们解开HTS机制之谜提供了重要线索。”论文作者之一、中国科学院院士、物理研究所研究员向涛说。

从量变到质变

要找到定量关系，首先要找到它们之间的“定性”关系。

2008年，金葵去马里兰大学做博士后。他遇到了两位导师，材料工程和高温超导领域的国际顶尖学者。他将材料工程与高温超导体研究相结合，希望从一个关键的高温超导体系统La2-xc excuso 4(LCCO)中找到答案。LCCO是唯一一个覆盖所有超导掺杂区域的电子高温超导系统，但它只能以单晶薄膜的形式稳定存在。

经过三年的努力，2011年，金葵获得了一系列高质量的单组分LCCO超导单晶薄膜，并首次与合作者获得了完整的电子掺杂氧化铜过掺杂区相图。这一成果发表在《自然》上。

这张“相图”帮助金葵发现r

2012年是金葵做博士后的最后一年。他想回国后继续研发新一代高效材料基因技术，并整合到高温超导中，从而研究定量规律。他把这个想法告诉了导师，导师们摇摇头，觉得“很难”。

但回到物理所超导国家重点实验室的金葵，决定“拼一把”。他带领团队根据高温超导材料的特性，开发了高通量制备和跨尺度快速表征技术。2017年，他们首次利用组合激光分子束外延技术，在1cm单晶衬底上成功制备了化学成分梯度连续的单取向LCCO高通量薄膜。

在此基础上，团队结合从毫米到微米的跨尺度结构和输运表征技术的研发，将物理性质分辨率提高了两个数量级(至万分之一)，从而精确确定了量子临界分量xc。通过国际合作，他们在美国劳伦斯伯克利国家实验室的同步辐射光源完成了微米级的X射线结构分析。

传统的方法需要3年时间只有几个数据点。基于新一代全过程高通量实验，团队在几个月内成功积累了足够可靠的数据时间，首次观测到超导转变温度Tc、相对掺杂成分(x-xc)和奇异金属散射率A1之间的定量规律Tc ~ (x-xc) 0.5 ~ A10.5。

论文合著者、美国马里兰大学教授竹内一郎(Ichiro Takeuchi)表示，“我们可以证明人们可以控制并持续跟踪化合物的组成，而这种材料中成分的高精度控制从未被证明。”

基因技术在HTS的研究中有什么优势？金葵说，材料的高通量制备和表征技术可以实现参数在相图空间的线扫描甚至面扫描，可以快速建立可靠的HTS高维相图和HTS关键参数数据库，从中提取重要的统计物理规律，实现从“量变”到“质变”的突破。

开创一种研究范式

更重要的是，从LCCO得到的Tc ~ A10.5定律可以推广到空穴型铜氧化物、铁基超导体、有机超导体等非常规超导体系。并具有普适性。也说明奇异金属态和非常规超导态有共同的驱动因素。

金葵表示，推进材料基因工程与超导研究的深度交叉融合，开创了独特的高通量超导研究范式，将在构建高维精确相图、突破高温超导机理、推动超导材料实际应用等方面发挥不可替代的作用。

两位国际评论者对这项研究给予了高度评价，加速探索高温超导定量物理规律的“连续组分外延薄膜及匹配跨尺度表征技术”新研究范式是“绝技”(绝技)。

该研究也得到了理论的解释和支持。物理学家、物理研究所研究员胡江平是论文的合著者。他说，“发现的标度关系将超导配对强度与载流子的扩散过程联系起来，这是所有理论推理或模型中的一个特殊目标，即使我们是否能从之前提出的理论模型和配对机制(如反铁磁自旋涨落)中获得这种关系尚不清楚。”

“在发现铜氧化物超导体30多年后，仍然缺乏明确的证据来解释其背后的机制。精确的定量标度律值得特别注意。”作者之一、中科院院士赵忠贤说。

氧化铜超导体还有很多谜团。研究团队将继续使用组合方法，系统地跟踪和探索产生高温超导的其他关键因素。

来源：中国科学杂志