省流:我们通过硫铜共掺,将铅磷灰石的电阻率从绝缘状态降低到接近石墨水平的10的-5次方欧姆米。磁学的疑似迈斯纳效应比上一篇论文提升1到2个数量级。电阻温度曲线属于奇异金属相,并伴有较弱的偶对称横向电压,疑为超导涡旋态的贡献。
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“行百里者,半九十。”这是我最近心里默念最多的话。
自从去年12月我们的第二篇文章上线以后,大家的情绪被吊得很高,很难再像去年九、十月份那样,安安心心、边做边想的研究状态。似乎马上烧一锅,室温超导就出来了。哪那么简单啊。
我们老开玩笑说,室温超导是寄导二象性,早寄晚导。最近呆总的情绪才是真正的寄导二象性,时常一惊一乍,一会儿“导了导了”,一会儿“完了全完了”。我呢,既得拽着,又得哄着,我可太难了。
科学的事情,还是要尊重研究规律。我们要保持希望,但不能预设立场。即便做出来的东西再接近,没跨过去就是没跨过去,必须尊重客观事实。
人们很容易倒在黎明前。前面全是迷雾的时候看不清方向,反而能一往无前,反正也没得选。等到能看清方向时,却扛不到最后的终点,因为内心起了波澜。科学不能有这种波澜,因为自然是无情的。
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寄导二象性还真不是无稽之谈。超导作为最重要的宏观量子效应,在宏观上表现出波粒二象性本就是题中应有之义。所以不同的测量方法、不同的测量阶段,表现出一些测不准的特征,似乎并不奇怪。
但真的折磨人啊。之前我们测EPR的时候就已经发生过了,在测输运时更是把这种不确定性表现得淋漓尽致。这也是在我的测试计划中把输运放到最后的原因。如果连磁性都要叫“复杂磁性”的话,那输运得叫什么?输运才是所有研究课题中最复杂的,没有之一。
这里说的“测不准”是真的字面意思。我按磁性测量的结果估计,这个样品的临界电流应当在10个微安上下。但关老爷说,那需要偏压精度达到-7到-8量级这个水平,才能有稳定输出,他的PPMS达不到,他最小电流也是加的400微安。
稍微解释一下。做半导体都知道,材料存在介电效应,也就是你电流从0加上去那一瞬间,会产生充放电的效果。一般的半导体,少则几毫秒,多则几分钟,电流就会稳定下来形成真正的恒流模式。然而我们这个材料如果电流太小,几乎不可能稳定住。我曾经试过加一个很小的偏压上去,然后就坐在那盯着看它的实时曲线,结果等了快一个小时,就一直看着它在抖啊抖,电阻比一开始降低了一半,仍然没有丝毫稳定的迹象。
按理说,一个良金属不应该存在介电性。所以我们合成的究竟是个什么奇怪的薛定谔物质?
呆总一直心有不甘,不断Push我们再测一测,兴许就能测出零电阻。但是对我来说,测到这么奇怪的一个金属就相当不错,能反映出非常多我感兴趣的东西。我也相信,真正懂行的人看到这个数据,会和我一样感兴趣。
所以这段时间我一直拿下面这张图在给呆总画饼:你现在在黑圈的位置,再努努力,把临界电流再增加一到两个数量级,零电阻就妥妥的,应该不难吧?
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有时候胃口太高真不是好事。你想想呆总这是一个什么样品啊,就一堆粉末,简单拿模具压成了块,轻轻一掰就碎的那种。关老爷银胶都没敢点,直接压了几根铟丝就开测。就这实验条件,导电性能接近普通石墨,本身就已经离大谱。
工业上要做一个好的导电薄膜,得反复提纯打磨压平,呆总现在就往水里一泡,捞出来压完就测,连个回火烧结的工序都没弄,还美其名曰:“我这是专门为一维体系设计的”。唉,我这个一维的理论快被玩坏了。
而且我们现在是按整个块体的厚度来估算电阻率。我也试了在块的上下之间点电极测,效果并不理想。很可能,实际导电通道只是集中在样品的表面附近,也就是实际的电阻率比我们现在估计的值要小不少。
呆总一直很有冲动,想要学铁基超导那样,把那个奇异金属的曲线减掉,剩下就是零电阻了。这样做当然无可厚非,因为现在几乎可以肯定,电阻是来自那些纳米晶粒之间的缝隙产生的接触电阻,单个晶粒的电阻应该更小,甚至没有。
但我还是阻止了这个想法。对我来说,一堆离子型的绝缘粉末,这么掺吧掺吧,就能掺出这么好的导电性,这已经是非常顶级的成果了。至少,我们完成了一个小目标,用坚实的证据证明了不是硫化亚铜在捣乱。
复杂磁性、透明单晶、硫化亚铜,三大乌龙总要一个一个去证伪吧。
如果认为奇异金属是因为超导相的电流加得过大导致,呆总的补充材料里放了一张看上去貌似零电阻的数据,那是关老爷增益没调好的结果,我们认为是纯误差,所以只能作为参考。
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我自己最担心的是乌龙,电导率和石墨太接近,万一是石墨怎么办?所以仔细打了XRD,确认这次样品的相很纯,没有石墨、单质铅或单质铜。呆总一度深受硫化铅的困扰,精修之后打消了顾虑。其实除了单质,氧化物一般没有这么小的电阻,完全可以自动排除。
比较有趣的是,硫铜共掺居然把铅磷灰石掺成了磷酸铅,而且晶格常数也明显下降,这倒是符合内应力的那个说法。但是这个磷酸铅就实在是。。
讨厌马普所、理解马普所、成为马普所,呆总实现了一个完整的轮回,棒棒哒。
不过有一说一,呆总泡硫这一步确实是天才之作,这个模型我可太喜欢了。它从一维的棒状结构被硫打散,重排后变成肩并肩的平面堆积,这个导电通道就十分明晰了,整个故事也从头到尾都能串起来。
当一个模型足够美妙时,它怎么可能是错的呢。
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这次的磁性数据与上次定性一致,算是重复了上一个样品的结果。但数量级明显提升,信号看起来平滑了很多,所以临界磁场也有所增大。这次应该没人再说仪器误差了吧?
测试都有重复,呆总自己测一遍,又请测试老师帮忙测一遍,还有摆拍留痕,生怕别人说他造假。这可怕的舆论圈啊。
当然也有认为测的是赝能隙态,但跟输运测试对不上,所以我觉得应该不是。
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奇异金属,通常是指非传统超导体的正常态,比如铜基超导、铁基超导、有机超导等,它们的正常态表现似乎是金属,但又不是正常的金属,所以就取了奇异金属strange metal的名称。
什么是正常金属,就是按照凝聚态的费米液体理论,它导电的载流子可以用单个准粒子来描述,这个准粒子具有与自由电子相同的统计规律。这个理论最大的特点,就是电阻和温度的依赖关系是二次型的,像金属铜等常见导体,均满足这个规律。
不满足这一规律的就是非费米液体non-Fermi liquid,也就是奇异金属,它的电阻温度关系通常是线性、或接近线性的。虽然主要是在非传统超导中出现,现在也发现了许多其它材料中存在这样的特性。
在铜基超导中,一般认为超导相就是有序相,奇异金属相是准有序相,前者在空间和时间上皆是有序的,后者在空间上有序,但在时间上无序,所以超导涡旋态会在奇异金属中被打破时间反演对称,也就是我们常说的解离。
不出意外的话,奇异金属中主要的载流子就是这些解离的涡旋态,或扭结态,这是其表现出非费米液体的主要原因。测横向电压有机会测到这样的涡旋态。
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我们的一个主要工作就是确认其是否为奇异金属。所有的RT曲线均在三个独立实验室反复测试确认,除了定量上略有差异外,没有定性上的区别,所以结论应当是准确的。
从电阻对温度的导数可以清楚看到,低温区是正常金属行为,中温区一直到300K左右,应该都是奇异金属,超过室温后则变成坏金属bad metal。这与大多数奇异金属的相图吻合。
我们这次没有展示EPR,但是也测过,的确没有发现明显的单自由基信号,说明的确不是单粒子在导电,符合奇异金属的定义。
低温下有一个较弱的磁阻,高温下线形变得不太有规律。相反,霍尔电阻却相对明显,也比较有规律,低温高温都差不多。
霍尔一般是中心对称的,或者叫奇对称的。我们测出的更偏向轴对称,或者叫偶对称。这一般是霍尔电极没搭好,测到了磁阻分量的缘故。但奇怪的是,与纵向磁阻的大小、线形比较,好像又不太一致。所以我猜测,这结果可能是偶对称横向电压(even-in-field transverse voltage, ETV)。
所谓ETV,是超导异质结里面常见的现象,它的物理来源一般认为是涡旋态在异质结之间的蠕动。一般的霍尔电压是由洛伦兹力决定,所以磁场反向电压也要跟着反向。但ETV通常无关磁场方向,只往一个固定方向偏转,有点类似于地面上陀螺转轴的移动,总是移向较低而平坦的位置。而磁场则只会改变它蠕动或者叫hopping的速率。
总之,解释成奇异金属,我个人觉得证据链是比较完整的。
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我们离室温超导究竟还有多远?也许手上的样品就是,也许就在下一锅出炉,也许还要等上一段时间。
我一直觉得,人类要真正接受一个新事物,必须要首先理解它、熟悉它。我原本计划中的三步走,微波、磁性、输运,如今已完成一大半。每一步的结果都远超预期,每一步的文章都没有投稿。这也成了一个心结。
每上线一篇文章,都得到许多反馈,我也想到了很多应该怎样修改文章,才能把故事讲得更完整。但在这一路狂奔之下,完全抽不出时间来改前面几篇,又得写下一篇。
从去年八月到现在,除了春节放空了一个礼拜,其它时间全都在连轴转。从材料设计开始,到仪器测试,到分析数据,到解释机理,再到写论文,几条线全在这里汇聚,我真是从来没有这么拼过、这么累过,浓浓的一股再就业的使命感。
跟一群热血沸腾的小年轻们在一起工作,仿佛自己还很年轻。只有呆总时不时来一句“你用的软件版本怎么那么老啊”,才被打回原型。谁还没有个才华横溢、年少轻狂的时候,我不也是一个版本一个版本迭代过来的,总会有迭代不动的时候呀。
时代辜负我们,我们没有辜负时代。作为一个从LK-99上线第一天,就全程参与每一个版本迭代的老人,脑子里装着一整部历史。但回头看去,满眼又全是巧合,却不知线头何在。
时也命也。所以这段时间我们一直都在感慨,究竟是谁,首先拨动了命运的齿轮?