斯坦福科学家发明一新型原子显微镜成像超导

斯坦福大学的研究人员最近对铁肽超导体中的向列转变进行了深入研究。他们的论文发表在最近的《自然物理学》上，提供了使用他们发明的被称为扫描量子低温原子显微镜（英语：ScanningQuantumCryogenicAtomMicroscope，简称SQCRAMscope）的显微镜收集的这些跃迁的新成像数据。

论文第一作者、毕业于北京大学的中国学者、杨凡（FanYang）。该论文研究主导、本杰明·列夫（BenjaminLev）教授说：“几年前，我们发明了一种新型的扫描探针显微镜。”“人们可以把它想像成普通的光学显微镜，但是镜头不是聚焦在某些样品载玻片上，而是聚焦在悬浮在样品附近的原子的量子气体上。”

在该研究团队发明的新显微镜中，原子利用磁场从“原子芯片”捕获装置中悬浮，直到它们在样品载玻片上方仅一个微米。这些原子可以将样品发出的磁场转换为显微镜透镜收集的光。结果，该新型显微镜可以用于成像磁场。

列夫说：“我们使用的原子是超冷的，处于量子态：它们具有接近零的绝对温度，并且是已知宇宙中最冷的气体之一。”“因此，它们是最好的微米级低频磁场传感器。可以在材料表面上扫描原子，从而使我们能够记录附近磁场的二维图像。”

通过计算显微镜中原子与材料表面之间的距离，研究人员可以倒退磁场源的图像。磁场源可以是例如在周围移动的电子或材料内部的一般磁化强度。

使用称为“低温恒温器”的工具对这些源进行成像，同时对其进行冷却，最终可以揭示出在不同相变时发生的新物理现象。因此，研究人员所开发的显微镜可以用作一种崭新的量子传感器，用于对各种材料发出的磁场进行成像，从而有可能带来令人着迷的新发现。

列夫解释说：“一旦证明这种显微镜有效，我们就开始为其寻求最佳的第一科学用途。”铁基（肽）超导体似乎是理想的候选物，因为它们在可及的温度下在微米长度尺度上表现出有趣的电子传输行为。”

磷铁超导体具有许多不同寻常且引人入胜的特性。迄今为止，物理学家还不确定诸如在这些材料中观察到的那样的高临界温度超导电性如何工作。铁基超导体是在年左右首次发现的。有趣的是，研究表明，它们表现出的某些行为类似于铜酸盐超导体。

列夫说：“这些“非常规”超导体，与低温下的常规常规超导体相比，在铜盐材料中广为人知。”“其超导性的基础机制仍然是一个谜。我们领域的研究人员希望阐明这种机制将为各种技术提供坚固，室温和环境压力的超导体。”

p酸盐和铁基超导体之间的关键相似之处在于，这两种材料在超导性的较热方面都表现出不同寻常的物质电子相。在这些物质相中，最著名的两个是“奇怪的金属”相和“电子向列相”相。电子向列相是量子液晶的一个例子，类似于LCD显示器中的经典液晶。

列夫说：“这些经典晶体是向列型的，这意味着棒状分子都沿一个方向排列，破坏了材料的旋转对称性。”“换句话说，分子选择了一个指向的方向。90年代的凝聚态理论家开始思考电子如何做同样的事情。电子不是点状的（据我们目前所知），但是在临界转变温度以下，他们将决定优先沿一个特定方向在晶体中流动（即传导或传输），再次破坏旋转对称性；这将表现为材料电阻率的各向异性。”

尽管在铁基超导体中一直观察到电子向列相，但研究人员仍不确定它们为什么会出现的原因以及这种独特的物质相与低温超导相的相关性。理论尚未确定该相是否会阻碍，增强或在确定材料超导相的Tc中起什么作用。

肽可能是研究电子向列相的理想材料，因为其中的电子还会促使其晶格结构自发变形。实际上，过去的研究发现，随着这些材料的电阻率变得各向异性，它们的晶格从正方形变形为平行四边形。

这种转变有两个关键后果。首先，所得的结构域具有指向正交方向的电阻率各向异性。其次，晶格畸变旋转反射光的偏振这一事实使人们可以使用光学显微镜观察这些区域。

列夫解释说：“不幸的是，第一个后果使运输测量变得复杂。”“一个人不能仅仅用欧姆表来测量电阻率各向异性，因为信号在翻转域结构上平均为零。这就是我们进入的地方。我们通过使用局部探针对每个域对局部各向异性域进行成像来避免这种平均问题通过检测电子投射的磁场来观察电子流动的方向。”

该研究团队首次成功地将铁素超导体中局部电阻率各向异性成像。他们成功的原因之一是他们使用的探针可以在高温（K）下运行。如下图所示该新型显微镜的工作原理图。

列夫说：“标准的探头，例如扫描SQUID磁力计，不能真正在这些温度下以高分辨率对样品成像，因为设备本身会变得太热，并无法以高灵敏度工作。”“相反，我们的探针只是一种原子气体，不会吸收样品中的任何热量。此外，由于原子对于大多数光波长都是透明的，因此我们能够将光照射到表面上以在与我们进行磁力分析扫描的时间相同。”

通过对畴结构进行成像并同时捕获磁力扫描，研究人员能够确定他们在材料中扫描的确切位置，并确定在铁素超导超导体中观察到的晶格结构是否确实在与其电子相同的临界温度下发生向列性。使用这种双探针系统，研究人员可以证实他们的观察结果，这在使用其他探测设备时从未实现过。

列夫说：“我们设备的局部成像能力使我们能够测量更清晰的电子向列跃迁，并观察到它在与结构跃迁相同的温度下发生。”“一般研究界经常问这些转变是否确实在相同的温度下发生，并且我们证明确实如此，至少在微米到数十微米的长度范围内。”

研究团队设计的新显微镜使用的是玻色-爱因斯坦冷凝物，其灵敏度不取决于所分析样品的温度。除具有双重探针功能外，显微镜还可以无创方式在从室温到低温的任何温度下收集高精度的测量结果。

列夫及其同事最近进行的研究具有许多重要意义。最值得注意的是，它首次证明了他们发明的被称为扫描量子低温原子显微镜研究物理现象的潜力。

通过使用该显微镜，研究人员能够收集铁素超导体中向列相变的第一批局部图像。这些图像提供了有关这些过渡的方式和时间的新的有价值的见解。

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