超導體大致可分為兩類，一類是可以被主流超導理論解釋的常規超導體，還有一類是無法用主流理論解釋的非常規超導體。非常規超導體是一種複雜的材料，它們可以在相對較高的溫度下表現出超導性，是許多物理學家在尋找室溫超導體的道路上所關注的焦點。銅氧化物就是一類具有這種非常規的超導性的材料，它們的超導性發生在二維層面上。
近日，《科學》雜誌就刊登了一篇與銅氧化物這種非常規超導體有關的新發現。新研究表明，一個科學家團隊首次合成了一種可以被摻雜的一維銅氧化物。在分析了這種被摻雜過的材料之後，他們發現已有的一個關於銅氧化物是如何實現超導性的著名模型，缺少了一個關鍵成分——它忽略了真實材料中的一個非常重要的現象，即在這種材料的原子結構（晶格）中，相鄰電子之間存在意想不到的強大吸引力。
哈伯德模型是一個被用來模擬這些複雜材料的主要模型。在這個模型的二維版本中，它基於的是一個由最簡單的原子組成的平坦的、間隔均勻的網格。然而，即使是這樣一個最簡單的二維網格，對於如今的計算機和演算法來說還是太過於複雜了。
目前，還沒有一種公認的方法，能夠確保這種模型對材料的物理性質的計算是正確的。這給物理學家造成了困擾——當模型給出的結果與實驗結果不匹配時，他們無從判斷是計算出了問題還是理論模型出了問題。
為了解決這個問題，物理學家在研究非常規超導體時，會透過將模型簡化到一維空間來了解發生了什麼。他們將哈伯德模型應用到最簡單的晶格——鏈狀的一維銅氧化物上。透過在實驗室中製作出一維的銅氧化物，物理學家已經發現一維模型能夠準確地計算未經摻雜的一維材料鏈中電子的集體行為。
然而可惜的是，這些一維的原子鏈無法做到一件事——它們不能被摻雜。摻雜是一個用一些原子替代材料中的另一些原子，以改變可以自由移動的電子數量的過程。透過進行這項操作，科學家可以調整材料的行為，使它們成為超導材料。
可是，儘管科學家已經努力嘗試了20多年，他們仍然無法地對一維銅氧化物進行可控地摻雜。這正是新研究所取得的重要成就：他們形成了一種由平行鏈組成的銅氧化物，併成功地對這種材料進行了摻雜。
為了製造摻雜的一維鏈，研究團隊在一個用於支撐的表面上噴塗上一層只有幾個原子厚的銅氧化物材料——鋇鍶銅氧（BSCO）。薄膜和表面的晶格形狀會以一種特殊的方式排列，形成嵌入在三維的BSCO材料中的一維銅氧鏈。
一維的銅氧化物被“摻雜”後釋放出了部分電子。圖中黑球代表銅原子，紫球代表氧原子，紅色彈簧代表原子晶格的自然振動，這種振動有可能有助於晶格中相鄰電子之間產生意想不到的強大吸引力。這種“最近鄰”的吸引力可能在非常規超導中發揮作用。| 圖片來源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
透過將這些鏈暴露在臭氧和熱中，他們將氧原子新增到了原子晶格中。每個氧原子會從鏈中拉出一個電子，被釋放的電子會變得更容易移動。當這些能夠自由流動的電子數以百萬計地聚集在一起時，它們就可以創造出一個集體狀態——這是超導性的基礎。
接著，研究人員對鏈進行角分辨光電子譜（ARPES）分析。這項技術能將電子從鏈中噴射出來，並測量它們的方向和能量，為研究人員提供了一幅關於電子在材料中的行為的詳細影象。
角分辨光電子譜（ARPES）可以從摻雜的一維銅氧化鏈中發射電子，並測量它們的方向和能量。| 圖片來源：Zhuoyu Chen/Stanford University
透過ARPES分析，研究人員發現，在被摻雜過的一維材料中，電子對鄰近晶格位點上的電子的吸引力，與簡單的哈伯德模型的預測不匹配——它比哈伯德模型預測的要強10倍。
研究人員認為，這種高水平的“最近鄰”吸引力，可能來自與聲子的相互作用。聲子是振動的原子晶格的自然振動，它在傳統的超導性中扮演著重要的角色。有跡象表明，聲子也可能以不同的方式參與到如銅氧化物在內的非傳統超導性中，不過這一點還沒有被完全證實。
鑑於銅氧化物在結構和量子化學上的相似性，研究人員認為很可能在所有的銅氧化物中都存在這種電子間的最近鄰吸引力。也就是說，這種強吸引力可能在高溫銅氧化物超導體中發揮同樣重要的作用。
此外，新的發現還將有助於理解二維的哈伯德模型及其同類模型的超導性，幫助科學家們對這類複雜的材料有著更完整的理解。
參考來源：
https://www6.slac.stanford.edu/news/2021-09-09-after-20-years-trying-scientists-succeed-doping-1d-chain-cuprates.aspx
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf5174
圖片素材來源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
