2017q_(d)中国U学院院士、清华大学教授朱静进入了一个她不熟(zhn)的研究领域—?/span>导材料Q而此前的60余年_(d)她一直从事电(sh)子显微学研究。在q?span lang="EN-US">10q的定量子材料序参量的?sh)子昑־学方法研I基上，朱静团队在超导材料中获得了一些重要发现?/span>
朱静团队与合作者利用洛伦兹透射?sh)子昑־镜，在实验中首次直接观察CƠ掺杂的YBa2Cu3O6.5样品中赝能隙态下存在的拓扑磁涡旋l构。相关研I成?span lang="EN-US">2?span lang="EN-US">22日发表于《自然》。两位审Eh评h(hun)该研I是?/span>重大H破”?/span>重要一?span lang="EN-US">?/span>?/span>
“被人忽略”的强大工具
1986q_(d)德国U学家贝特诺茨和国U学家缪勒发玎ͼ铜氧化物陶瓷材料在较高温度下出现了超导现象。这被认为是U学发展的重大突_(d)揭示了一个新的微观量子世界?/span>
几十q来Q一大批U学家投w高温超导研I行列，试图解决其中最h战性的问题——高温超导现象发生机制?/span>
2017q暑假，朱静在清华大学校园里遇到?span lang="EN-US">?/span>忘年?span lang="EN-US">”—?/span>中国U学院院士薛其坤?span lang="EN-US">?/span>p师Q?zhn)怎么不做导Q?span lang="EN-US">?/span>薛其坤问道。朱静回{说Q?span lang="EN-US">?/span>导我不懂，也没有材料?span lang="EN-US">?/span>随后Q朱静来到薛其坤的办公室Q看C许多导相关的研I成果?/span>
作ؓ(f)我国材料?sh)子昑־学领域学术带头hQ朱静对如何q一步利用电(sh)子显微镜中电(sh)子和物质交互作用产生的各U信P有着深刻的认识。但朱静未曾惌涉导领域Q她qQ超导研I怸Ҏ(gu)?/span>
“蹭”课、读文献和专业教材，朱静从基学vQ渐渐了解到Q“高温超导的导机制不清楚，特别是原子尺度的导研究更少”?/span>
若能从原子层面了解高温超g材料的序参量Q将有利于理解高温超导机制。而在q一问题上，?sh)子昑־学能发挥强大的作用，只不qh们往往它的功能聚焦在炚w研究上?/span>
?span lang="EN-US">2013qvQ朱静团队一直致力于发展量子材料序参量的?sh)子昑־学研I。他们利用磁光材料，在高分L率下协同实验量晶格、电(sh)荗自旋、轨道、拓扑量子序参量的有效性和优势Q深入了解多个量子序参量之间隐藏的耦合效应Q从而进一步指导各U复杂功能材料的研究和开发?span lang="EN-US">2021q_(d)相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》?/span>
朱静_(d)׃铜氧化物的原子结构和?sh)子l构复杂Q高温超导现象在微观机理研究斚w存在许多待解决的U学问题Q需要在实空_(d)用多度Q从微米度到原子尺度）I间分L率高的实验手D进行研I?/span>
“我们的实验使用了最先进的透射?sh)子昑־镜和与之发展h的洛伦兹原位?sh)子昑־学技术，以及(qing)一个可以在原子度下表征物质晶根{电(sh)荗轨道、自旋和拓扑{量子序参量的强大工兗”朱静说?/span>
深夜12点半的惊喜瞬?/span>
揭示和理解高温超g赝能隙态下所蕴含的丰富物理现象，是凝聚态物理领域面临的重大挑战之一?/span>
赝能隙现象出现在高温导体的正常怸Q是一个让人非常困惑的物理现象Q它与高温超导机理之间的本质联系Q是高温导研究的核心问题之一?/span>
朱静表示Q高温超导铜氧化物的赝能隙态处于超D{变温度之?span lang="EN-US">, 位于T*Q赝能隙态{变温度）温度之下。已有实验结果表明，在特征温?span lang="EN-US">T*以下Q存在时间反演对U性破~。但是赝能隙态的h和时间反演对U性破~态与导性的兌Q一直不清楚。如果能够在实空间更加清楚地解析赝能隙态下的异常磁l构Q可以帮助h们进一步理解高温超g赝能隙态下丰富的物理现象?/span>
q去Q相关研I主要集中在室温区利用透射?sh)子昑־镜研I温超导铜氧化物及(qing)其物理。但是，׃高温导的丰富物理现象往往出现在低温条件下Q“如何利用透射?sh)镜实现在低温到极低温条件下寚w基高温超g的相关物理研IӞ是一个很大的挑战”。朱静说Q他们利用液氦样品杆Q实C“全温区”范围的研究?/span>
没有新样品材料，朱静选择了高温超导材料中最l典的两U——钇钡铜氧（YBCOQ和铋锶钙铜氧（BSCCOQ作为研I材料?/span>
团队利用复旦大学?sh)子昑־镜实验室新安装的当时中国最先进的电(sh)子显微镜和液氦样品台开展样品测试。实验前Q朱静也不知道能观察C么现象，只是有种直觉——超g性有很大兌。于是朱静告诉学生，要注意铜基高温超g赝能隙态下的异常磁Ȁ发问题?/span>
然而，一个星期的实验Q团队一无所P准备回京。(f)行前一晚，团队成员不甘心，打算再熬夜搏一搏?/span>
晚上12?span lang="EN-US">30分，?sh)脑屏幕上的囑փ一瞬间发生了清晰的?/span>异动?/span>Q是量子序参量的拓扑涡旋结构。团队成员顿时困意全消?span lang="EN-US">?/span>q就是异常磁Ȁ发！?/span>于是Q通过在透射?sh)镜中原位施加温度场和磁场，研究人员得到了该拓扑涡旋结构的温?span lang="EN-US">-场-I穴掺杂相图Q实验一直持l到早上8炏V?/span>
“事实上Q?span lang="EN-US">2006q_(d)法国学者用中子衍射Ҏ(gu)发现了超导材料中的异常磁Ȁ发，但是他们一直没有给出清晰的物理囑փQ得这个异常磁Ȁ发分支被Z忽略了?span lang="EN-US">?/span>朱静告诉《中国科学报》，C?sh)子昑־镜具有较高的炚w分L率和I间分L率，可以在实I间U米度下对材料中的微观结构进行直接探，最l发C赝能隙态下存在的拓扑磁涡旋l构?/span>
“研I者要热爱研究Q要成天琢磨U学问题?/span>
通过重复实验和解释分析，l合对应的原子结构和?sh)子l构序参量，研究团队l出了该拓扑涡旋结构可能的h?/span>
研究l果表明Q拓扑磁涡旋l构与电(sh)荷密度L相存在竞争关p，能够在较宽的温度范围内与导相共存，q表明此拓扑涡旋结构在高温导机制中可能具有促q作用。该拓扑涡旋序的发现给赝能隙态下旉反演对称性破~提供了微观上的直接囑փQؓ(f)Zq一步理解和研究铜氧化物中赝能隙态下旉反演对称破缺提供了新思\和新见解?/span>
两位审稿为“该实验l果在理解赝能隙态上有重大突破”“该工作在理解赝能隙态上q出了重要一步”?/span>
“做研究l我带来了很多乐。研I者要热爱研究Q要成天琢磨U学问题。”朱静说Q思考是一件很重要的事情，理解和解d验现象的q程也很有趣。她一直记得导师的一句话Q?span lang="EN-US">What you think, what you seeQ你想什么就能看C么）?span lang="EN-US">?/span>
׃无法再操作具体实验，朱静与学生们保持着密切交流。有时她提出xQ指导学生予以实玎ͼ有时也被学生的想法启发，教学盔R?/span>
“年Mh很聪明，要鼓׃们热爱所做的事情。做研究一定得是高兴的。他们热qI、真心感到高兴、忘我地投入思考，׃(x)有更多的新想法。”朱静说?/span>
朱静看来Q这一实验q不能完全解释高温超导机理，其背后可能隐藏着更加丰富的物理知识，给凝聚态物理的研究带来启发。目前，Ҏ(gu)带领学生开展下一步的工作?/span>
相关论文信息Q?/span>
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05731-3
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