苦试20载，科学家成功合成一维可掺杂铜链

一维氧化铜或铜酸盐链段示意图。

非常规超导体是一种复杂的材料，能在相对较高的温度下零损耗导电。在研究非常规超导体时，科学家通常会使用简化模型来分析其超导机制。然而，对这一复杂过程建模花费的时间和计算能力超乎想象。为了帮助科学家了解氧化铜（或铜酸盐）超导体，研究人员创建了一种一维原子链模型，模型行为与理论非常吻合。然而，这种模型不可掺杂，即用某些原子替代初始原子，以改变可自由移动的电子数量。掺杂是科学家调整材料行为并使其具备超导特性的关键步骤。

当地时间9月9日，美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和克莱姆森大学的科学家在《科学》杂志发文称，他们首次合成了可掺杂的一维铜酸盐材料。博士后研究员Zhuoyu Chen将一维链段嵌入三维材料中后，直接移至SLAC的同步加速器辐射光源（SSRL）内，用强大的X-射线束对其进行了分析。他们发现，现有的铜酸盐超导模型缺失了一种关键成分——材料的原子结构（或晶格）中相邻电子间的强大吸引力。研究人员认为，这种强吸引力可能是自然晶格振动相互作用的结果。

当前所用的二维哈伯德模型是一种由原子组成的均匀间隔的平面网格，然而，学界目前还没有公认的方法来确保该模型对材料物理性质计算结果的正确性。为此，研究人员将哈伯德模型应用于最简单的铜晶格一维链段之上，一维模型能准确地计算并捕获未掺杂一维链材料中的电子集体行为。可惜的是，模型对掺杂链段预测的准确性仍然未知，因为20多年来，从未有人在实验室内成功合成过掺杂一维铜链。Chen说：“这次我们的重要突破在于合成了这种掺杂链段。”

研究人员将钡锶氧化铜（BSCO）链段暴露在臭氧中加热，将氧原子添加到BSCO的原子晶格内。每个氧原子从链段中拉出一个电子，这些“自由电子”变得更容易移动。当数以百万计的自由电子聚集在一起时，创造出了一种集体状态，奠定了超导性的基础。研究人员发现，“在BSCO中，电子对邻近晶格位上电子的吸引力比旧模型的预测值强十倍。”

研究人员认为，这种高水平的吸引力可能与声子的相互作用有关。众所周知，声子在常规超导性中扮演着重要角色，有迹象表明，声子或许也以不同的方式参与铜酸盐等材料的非常规超导。研究人员猜测，很可能所有铜酸盐都存在这种电子间的近邻引力。

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编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：https://phys.org/news/2021-09-years-scientists-doping-1d-chain.html

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