图：红外激光照射硒化铁薄层，就像用一把小锤子轻轻敲了一下钟，激发材料中的原子振动

中国在铁基高温超导领域的突破曾震惊世界，但在这些材料上，为何会出现如此奇妙的现象，人类现有的理论尚不能完全解释。近日，斯坦福大学的科学家们利用自由电子激光，“拍摄”到了硒化铁材料中，电子随着原子“起舞”的动态画面。这种电子和原子之间的耦合作用，比之前人们认为的强10倍。这暗示着，高温超导还可能有很大的突破空间。

领导该工作的美国SLAC国家加速器实验室首席科学家、美国国家科学院院士沈志勋，向澎湃新闻介绍这个发表在上周的《科学》期刊上的研究成果：“我们相当于给原子和电子们拍了一段每秒100万亿帧的视频，同时空间分辨率达到头发丝的十亿分之一。而好莱坞影片一般是每秒60帧。”

我们当然不能像看好莱坞影片一样，常规地通过屏幕观看这种每秒100万亿帧的动态。研究人员截取了其中大约1000帧，串联出了一段原子和电子之间耦合作用的动画。

这种“影片”拍摄材料在原子尺度上的精彩“表演”，是一种新型的研究方法，能帮助科学家们寻找到更理想的材料。就高温超导而言，相关材料可被广泛应用于核磁共振成像、磁悬浮、量子计算等领域。硒化铁材料中，电子随着原子“起舞”的模拟动画

▍非传统超导体

超导是20世纪最重要的科学发现之一，指的是某些材料在温度降低到某一临界温度以下时，电阻突然消失的现象。1913年，荷兰科学家翁内斯（Onnes）凭借发现汞在液氦温度下的超导性，获得诺贝尔物理学奖。而不断提高超导的临界温度，也成了后继科学家们的奋斗目标。一百年来，有近20位科学家因在超导及相关领域的研究突破而获得诺贝尔物理学奖。

那么，超导现象是如何产生的呢？通常情况下，电子在定向运动时会与金属晶格碰撞，形成电阻。1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理论，即具有相反自旋和动量的电子对通过与晶格振动声子的交换作用，互相吸引，形成库珀电子对。而这个库珀对的大规模集结可以在晶格中无阻碍传输。临界温度的存在，则是因为较高温度下更强的晶格振动，给库珀对造成破坏。三人也因此荣获1972年的诺贝尔物理学奖。

不过，BCS理论并不能解释所有的超导现象。硒化铁就是一种超出BCS理论的“非传统超导体”，能在极端低温下实现超导。2012年，中国的一个研究团队发现，如果把硒化铁薄层置于钛酸锶（STO）基底上，就能大大提高临界温度。虽然这个温度（零下213摄氏度）依然很低，但已足够归入“高温超导”的队列。

▍两种摄像头

沈志勋的团队注意到了硒化铁这种非传统超导体。在2014年《自然》期刊上的一篇文章中，他们就用角分辨光电子能谱（ARPES）的方法，发现STO基底里的原子振动，传递到了硒化铁中，并给电子提供了额外的能量，以强化库珀对。

这次，沈志勋团队用红外激光照射硒化铁薄层，就像用一把小锤子轻轻敲了一下钟，激发材料中的原子振动。

在固体物理学的概念中，结晶态固体中的原子按一定的规律排列在晶格上。只不过，这些原子并非静止不动，而是围绕其平衡位置不断振动。此外，原子之间也存在相互作用力，使得原子的振动并非相互独立，就像由弹簧连接而成。实验中的红外激光，起到的作用就是“推”动这些弹簧振动。

他们再结合自由电子激光（XFEL）和时间分辨ARPES这两个超快“摄像头”，在两个独立的实验中分别将原子和电子的实时运动拍了下来。

首先，研究人员通过超快X射线衍射图像，确定原子的位移情况。接着，他们通过真空紫外“打”出电子，记录电子能带结构的变化。

通过这两个“摄像头”，研究人员发现上述两个变化的频率是相符合的，也就是说，原子和电子踩着同样的歩点“起舞”。

这项研究并不能直接证明，原子和电子之前的强耦合作用，就是硒化铁的超导秘笈。但它离开基于理论的猜想，实践了纯实验的研究。

未参与这项研究的美国芝加哥大学科学家伽利（Giulia Galli）评价道，硒化铁这种材料固然十分重要，许多人想穷究其理，但这项实验采用的方法，即能够实时测量电子和原子间的相互作用，是一个突破。这对材料研究至关重要。未来，通过给材料拍更多的超快“电影”，科学家们可以验证许多理论。

▍中国也将建成可以给原子“拍电影”的光源

实验使用的光源LCLS（直线加速相干光源），属于“第四代光源“——自由电子激光，隶属美国能源部，由斯坦福大学经营。目前，LCLS正在经历一次价值10亿美元的升级，预计于2019年完成。

今后，沈志勋的团队将继续用这种超高精度、超高速的“超微相机”研究原子和电子之间的互动，首先“拍摄”的主角就是铜基高温超导材料，他告诉澎湃新闻。升级后的LCLS将大大推进研究进度，亮度和效率会提高1000倍。

中国首台“第四代光源”正在上海张江酝酿。比起现有的第三代同步辐射光源“上海光源”，第四代X射线自由电子激光的峰值亮度会提高10亿到100亿倍，脉冲长度可达到飞秒量级（1秒的1000万亿分之一）。可以说，第三代光源只能“拍照片”，而第四代光源才可以“拍电影”。

正如国际科学界的通行做法，上海X射线自由电子激光在建成后将面向全球开放。沈志勋介绍道，目前LCLS的国际用户就比美国用户还要多。当被问及他是否也会成为上海X射线自由电子激光的用户，沈志勋说道：“如果能够申请到机时，我们就会来上海参加用户实验。当然我们必须有好的想法，才能够在激烈的竞争中申请到机时。”

文章链接：

S. Gerber, et al, "Femtosecond electron-phonon lock-in by photoemission and x-ray free-electron laser," Science  07 Jul 2017: Vol. 357, Issue 6346, pp. 71-75, DOI: 10.1126/science.aak9946

（本文来源：澎湃新闻网；）

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