镍基超导中氢元素作用示意图

不久前，罗切斯特大学物理学家Rang Dias声称在室温条件下发现了新的超导材料。这一消息曾引发全球“震动”。这个消息曾经引起了全球的“震动”。毕竟，室温常压超导材料一直被许多物理学家视为“最终目标”，需要一次又一次的验证和时间的考验。

电子科技大学物理学院教授、凝聚态物理研究所所长乔梁就是其中之一，尽管很难实现“最终目标”。最近，他和他的团队在超导新材料研究领域也取得了突破，为镍基超导领域的发展提供了新的思路。研究成果在网上发表在《自然》中。

氢元素被乔梁称为“看不见的手”，它悄悄地改变了材料的物理性能，是影响镍基超导电性的关键和秘密元素。

在这项研究中，乔梁和他的团队首次在实验中观察到了奇怪的电子态，即巡游间隙s轨道（IIS）。在别人忽视的角落里，他们牵着“看不见的手”。

从镍入手

1986年初，两位欧洲科学家发现，以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体给寻找室温常压超导带来了希望。

为何这种材料具有较高的超导临界温度？

为什么这种材料具有较高的超导临界温度？这个问题已经30多年没有得到完美的回答了。

“科学家们一直在思考，他们是否可以从铜材料开始，借助铜基的监管理念实现新的超导材料，然后研究铜基的超导材料？这可能会加深我们对高温超导的理解。乔梁说，元素周期表与铜相邻，镍在结构和性质上与铜有许多相似之处，已成为物理学家心中的理想突破。

2019年8月，斯坦福大学教授Hwang研究小组率先在基于无限层结构的镍氧化物外延膜中发现了超导电性。乔梁说，这项研究具有划时代的意义。

但后续对镍基超导的研究却遇到了一系列的困惑：为什么无限层镍基材料能成为超导？为什么世界上只有少数团队能制作镍基超导样品？

“物理规律是客观存在的。当不同科学家的研究小组准备的材料样品经常出现“性能无法再现”的问题时，第一个直觉是材料中可能存在未知的“隐藏变量”，从而悄悄地改变了材料的物理性能。乔梁在发表研究成果时附上了这段话。

2019年9月，乔梁抱着试一试的心态，与学生们一起开始了镍基超导的研究之旅。

找出“黑匣子”中氢的作用

2021年4月，乔梁团队在制备的镍基超导外延膜中成功获得了0电阻的超导电性。

当年7月，乔梁带领团队继续从事超导样品中氢的调控实验。

当年7月，乔梁带领团队继续从事超导样品中氢的调节实验。“我当时不知道氢的作用，但学生碰巧做到了。乔梁回忆说，当时有点“鬼使神差”，但并非没有理由——在制备无限层结构镍基氧化外延单晶膜的过程中，他们用氢化钙还原。

“我们发现，如果温度保持不变，恢复时间逐渐增加，就会出现‘弱绝缘’→超导→弱绝缘的变化。表面上看，是不同的制备工艺造成的，但乔梁总觉得这是一个新的角度。

“深入思考，为什么调节时间会造成这样的差异？乔梁注意到，过去没有研究小组深入研究过氢化钙还原剂。氢元素在起作用吗？”

但这是一个“黑匣子”。氢原子具有最小的原子半径和质量，与传统探测媒体相互作用弱，散射截面小，难以探测。

随后，乔梁寻求澳大利亚合作伙伴Sean 在Li的帮助下，利用高元素敏感性的飞行时间，二次离子质谱发现镍基超导外延膜中有大量的氢元素，氢元素自始至终存在于膜晶格外延生长和拓扑化学还原过程中，并进一步确定了氢元素在材料中的原子占据位置。

2021年11月，乔梁团队确定调节还原时间的本质是调节氢元素。

2021年11月，乔梁团队确定调节还原时间的本质是调节氢元素。随着时间的推移，氢元素越来越多，反之亦然。

在对极低温强磁场运输性能的研究中，乔梁发现，在锶含量不变的情况下，可以通过调节氢的含量来实现“弱绝缘”→超导→弱绝缘的连续变化表明，氢确实在超导电性的出现中起着关键作用。

但乔梁又提出了一个问题：为什么氢的调节会影响超导电性？氢的作用是什么？

发现了纺锤形“小包”

在此之前，乔梁团队与英国钻石光源周克瑾合作，基于同步辐射的共振X射线非弹性散射（RIXS）对镍基超导体费米面附近的电子结构进行了技术和电子结构计算。

在超导样品的RIXS图中，乔梁观察到了一个纺锤形的“小包”。

在超导样品的RIXS图中，乔梁观察到了一个纺锤形的“小包”。他比较了其他几项类似的研究，但从未出现过这种电子轨道。起初，乔梁怀疑测定有错误，但他不知道如何解释。

之后，该团队发现了氢的存在，并开始考虑是否可以找到氢的电子证据。这时，乔梁又想起了悬而未决的“小包”之谜。

乔梁再次仔细查阅了其他类似RIXS实验的文章，发现类似的“小包”实际上出现在一些实验中，但被研究人员忽视了。

乔梁认为，假设“小包”是理论预测的IIS轨道。从这个想法来看，实验结果是否可以建立，这可能有助于解释氢元素与IIS轨道的关系及其对超导的影响。

“根据铜基材料的研究经验，金属元素的3d轨道在超导中起着决定性的作用。乔梁解释说，在镍基超导体中，在费米面附近的电子结构中，IIS、Ni3d、Nd5d等轨道之间有很强的相互作用。因此，IIS轨道的强烈吸引导致费米粉附近Ni3d轨道的有效占用减少，超导能力丧失。

“氢元素的添加填补了轨道间隙，比如一只看不见的手，导致IIS轨道无法‘拖动’Ni3d轨道，产生了类似铜基超导的费米粉电子结构，从而促进了超导态的出现。在与理论合作伙伴黄兵讨论后，乔梁认为，如果氢元素超过一定数量，就会进一步改变Ni3d轨道的极化，不利于超导。

2022年3月，合作团队最终描绘了“轨道污染”和“轨道净化”竞争的示意图，并于4月完成了文章初稿。提交后，审稿人评价其“极具创新性”。

回顾整个过程，乔梁认为，这项研究改变了科学家对镍基超导材料的基本认知，并提供了更准确、更合理的物理模型。研究结果可以解释为什么只有少数主题能够成功地制备零电阻镍基超导样品，因为大多数研究忽略了氢元素对超导的影响，没有控制这一关键因素。

“但很难提高氢元素控制的准确性和可重复性。我们的研究只是抛砖引玉，提供了一个方向。”乔梁说。

来源:中国科学报

文：杨晨