圖：考眼力，找不同。左右兩朵“花”有什麼不一樣？
重費米子超導發現者、德國物理學家Frank Steglich教授十分牽掛正在浙江大學進行的一項實驗：關聯物質研究中心/物理系袁輝球團隊將CeCu2Si2（鈰銅硅合金）放到特殊的實驗裝置中，並將溫度下降到50mK (毫開爾文)以下，測量該超導材料的磁場穿透深度隨溫度的變化。對於一次次的實驗結果，Steglich教授和課題組成員一樣，從懷疑、困惑到欣喜：在極低溫條件下，他們看到了與早期實驗結果不同的現象，並提出了一種新的超導配對態。
圖：基於隧道二極管共振技術的磁場穿透深度測量裝置
相關研究論文“Fully gapped d-wave superconductivity inCeCu2Si2（CeCu2Si2：能隙完全打開的d波超導體）”於5月8日在線發表在《美國科學院院刊》（PNAS）。評審專家認為，浙江大學的這項研究提出了一種精妙的理論模型，合理地解釋了重費米子超導體CeCu2Si2中存在的看似矛盾的實驗結果，將在學界產生廣泛影響。
01
經典理論遇到侷限
人類首次發現超導現象是在1911年，荷蘭科學家昂尼斯發現把汞冷卻到4.2開爾文時（約零下269攝氏度），電阻突然消失了。利用超導零電阻和抗磁性兩種特性，超導材料目前已在磁共振成像、超導磁懸浮列車等方面得到了 應用。
研製出室溫超導是科學家們的終極夢想。“但目前科學界對高溫超導等非常規超導現象的形成機理還沒有統一的認識，通常是理論‘追趕’實驗。”袁輝球說，科學家往往在一個比較偶然的情況下發現一類新型超導材料，再對這種材料的超導機理進行研究，以期研製出臨界轉變溫度更高的超導體。
對於早期發現的超導體，經典的BCS理論基本可以解釋。BCS理論的核心是晶格畸變誘導電子形成“庫珀對”。導電的本質是電子流的傳輸，電子流在通過導體時，一般情況下會和原子進行碰撞，產生能量損耗。但在超導體中，不會出現這類能量損耗。原本相斥的電子，在進入超導態時成雙成對地形成了空間相干的“電子對”，快速有序地經過原子“陣列”。“在超導體中，電子的運動就像在高速公路上，暢通無阻。”袁輝球形象地比喻。
這一超導理論在1979年受到了挑戰。當年，在德國達姆施塔特工業大學執教的Frank Steglich教授發現了世界上第一個重費米子超導體——CeCu2Si2。 之所以叫“重”費米子超導體，因為這類材料形成超導的準粒子的有效質量很大，大概為自由電子的1000倍，“你可以想象，一個大個頭在人群中移動，或者一個人帶著一群人一起走，移動勢必會比較遲緩。”袁輝球說，在這樣的條件下，超導現象又是如何產生的？這是傳統BCS理論無法給出解釋的。況且，在這類材料中，超導的出現通常與磁性緊密相關，這也是常規BCS超導所不能解釋的。因此，科學家把重費米子超導體和之後發現的銅氧化合物高溫超導體和之後發現的銅氧化合物高溫超導體和鐵基高溫超導體等都列為非常規超導體。
02
深夜實驗直面爭議
CeCu2Si2的發現開啟了非常規超導研究。但30多年過去，關於這類超導的形成機理仍然撲朔迷離、爭議不斷。包括CeCu2Si2發現者Frank Steglich在內的全球科學家，都在密切關注著這一領域的理論與實驗發展。浙大關聯物質研究中心的袁輝球課題組是其中的一個團隊。他們在紫金港校區東四教學樓，用了2年時間搭建起了一個極低溫實驗平臺，並設計製作了一個基於遂道二極管的磁場穿透深度測量裝置。 “利用這套裝置，我們可以精確測量磁場穿透深度隨溫度的依賴關係，為超導能隙結構以及相應的超導配對對稱性提供重要物理信息”，袁輝球說。
極低溫的磁場穿透深度測量並非易事。測量過程中，研究人員需要對不同部件的溫度進行嚴格控溫，任何機械和電磁擾動都可能導致噪音的提升而影響實驗結果。博士生龐貴明說：“白天實驗室外人來人往的跑動經常影響實驗測量，所以很多實驗都是在夜深人靜的時候進行”。
圖：常規d-波超導配對
當超導體的溫度低於超導轉變溫度時，配對的超導電子會在費米麵附近打開一個能隙。能隙結構的對稱性是研究超導機理的一個重要物理量。一般而言，常規超導體屬於s-波超導，其能隙具有各向同性，不存在閉合的能隙節點。科學界先前認為，重費米子超導體CeCu2Si2屬於d-波超導，其超導能隙在某些方向消失，存在能隙節點（如上圖所示）。然而，最近日本科學家的一項低溫比熱測量研究表明，CeCu2Si2沒有能隙節點，表現出類s-波超導的性質。這一發現顛覆了人們對重費米子超導的一些傳統認識，引起了很大的爭議。
03
解決爭議
為了進一步澄清這一實驗現象，袁輝球課題組測量了CeCu2Si2在極低溫條件下的磁場穿透深度。他們發現，CeCu2Si2的磁場穿透深度在0.1K以上隨溫度基本上是線性變化的，但隨著溫度進一步下降，磁場穿透深度慢慢變平，呈現出指數依賴關係，從而證實其超導能隙無節點。當他們將磁場穿透深度換算成超流密度時，發現高溫區間的超流密度可以很好地由常規d-波超導模型來擬合，而低溫卻與s-波超導相符。
CeCu2Si2在極低溫表現出的不同的行為，課題組一開始以為是實驗的誤差，“但是一次次重複實驗使我們確信，這是一個本徵的現象。”袁輝球說。
圖：兩能帶d-波混合超導配對
針對這一獨特實驗結果，袁輝球教授團隊與美國賴斯大學斯其苗教授（浙江大學長江講座教授）合作，提出了一種新的超導配對態，即基於兩能帶的d+d波混合超導配對 。在該模型中，帶內電子和帶間電子具有不同形式的d-波超導配對對稱性。如上圖所示，d+d波超導的能隙結構整體上看起來與常規d波超導非常相似，不同之處在於其能隙完全打開。也就是說，這個類材料本質上仍屬於d波超導，但由於兩能帶的作用，其超導能隙完全打開而沒有能隙節點。該理論模型可以很好地擬合實驗得到的超流密度和比熱隨溫度的變化，並且與先前實驗中觀察到的d-波超導性質相符，從而完美地解釋了所有實驗結果。
圖：從左到右分別為：博士後Michael Smidman，博士生龐貴明，袁輝球教授。
博士研究生龐貴明為論文第一作者，袁輝球教授為論文通訊作者，合作單位包括美國賴斯大學、德國馬普固體化學物理研究所和奧格斯堡大學等科研院所。該項研究得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金委、國防基礎科研科學挑戰專項以及中德科學中心合作小組項目的資助。
論文鏈接：www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1720291115
圖：兩種不同超導配對態的能隙結構示意圖
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