Only Perception: 鐵氮族化合物的「電子軌域成對」許諾更高溫的超導體

2011-05-18

鐵氮族化合物的「電子軌域成對」許諾更高溫的超導體

Iron-pnictide electron orbital pairing promises higher-temperature superconductors
http://www.physorg.com/news/2011-05-iron-pnictide-electron-orbital-pairing-higher-temperature.html

By Stuart Mason Dambrot, May 17, 2011

(PhysOrg.com) -- 尋求開發常溫超導體 -- 那展現出無損電力傳輸 -- 長久以來使大眾及科學的幻想生色不少。然而，持續不斷的努力，藉此提昇仍嫌寒冷的溫度（那使某些材料呈現超導性）也有了長足的進步。這項研究 -- 在歷史的角度上是基於晶格和／或以自旋為基礎的電子成對詮釋 -- 因為對某類材料（稱為鐵氮族化合物）的電子軌域如何成對的理論性看法，現在有潛力向前邁出一大步，為高轉變溫度（high transition temperature）提供一條新的途徑。

這篇論文，Orbital-Independent Superconducting Gaps in Iron Pnictides（鐵氮族化合物中軌域獨立的超導能隙），發表在 2011 年四月29日當期的 Science 上。領頭的研究者 Takahiro Shimojima（下志万貴博，由東京大學固態物理研究所以及日本科學技術振興機構 (JST) 的「創新科技基礎研究事業 (CREST)」所合聘）提到，雖然鐵氮族化合物高達 55K（攝氏負 218 度）的高轉變溫度超導性首次在 2008 年被觀察到，但這種行為卻無法以基於晶格振動的標準電子成對來預測。因此，Shimojima 表示，需要另一套解釋。

〔鐵氮族化合物，Ferropnictides -- 也稱為 Fe-pnictides、iron pnictides -- 是那些被歸類為氮族（nitrogen group）成員的化合物。氮族為化學週期表上的一族，那包含氮、磷、砷、銻、鉍這些元素，在其最外面的殼層有 5 個電子。Pnictides 是這一族的二元化合物（binary compounds）。Shimojima 及其團隊所研究的新型超導體，具有鐵與砷的導電層（conducting layers）。〕

Shimojima 以及他的團隊聚焦在所謂的超導能隙量級（superconducting gap magnitude）上 -- 在各種電子軌域中， Cooper pair（古柏對）電子成對的強度。利用 laser-ARPES（laser angle-resolved photoemission spectroscopy，雷射角解析光電子發射光譜學），該團隊確定，是電子軌域，而非自旋，造成鐵氮族化合物的超導性。他們因此下結論表示，電子軌域 -- 尤其是軌域的波動、由磁性所誘發的軌域間成對（interorbital pairing），或結合二者 -- 乃是電子形成 Cooper pair 的第三種方法。

什麼促使該團隊思考「軌域成對」為 HT 超導電性中一種新奇的結合機制呢？ "一個重要的洞見是，laser-ARPES 在 BaFe2As2 母體化合物（parent compound）的反鐵磁性金屬相當中，所觀測到的費米表面軌域偏振（Fermi surface orbital polarization），" Shimojima 提到。"其基態是透過軌域相依的電性重構（electronic reconstruction）來實現，令我們感到訝異。我們也發現，這種結果間接支持了由理論性研究所提出的軌域有序排列（orbital ordering）。我們接著對於「軌域的自由度對材料超導電性的效應」感到好奇。"

Laser-ARPES 在該團隊的發現中是一項關鍵工具。"一項由我們所開發的、非常重要的技術是用來檢查軌域特性的可變雷射偏振，" Shimojima 說。我們亦達成高能量解析度以及更大的敏感度，以便捕捉關於超導能隙的高品質資料。結果，我們能在 (Ba,K)Fe2As2 能譜中分離出二個峰值結構，先前在解釋 ARPES 資料時，那是個大麻煩。"

Shimojima 更進一步指出，如果其他材料在費米能階（Fermi level）附近被發現有數個糾纏的軌域，那麼它可能因軌域成對，而有潛力展現出轉變溫度更高的超導性。"例如，" 他補充，"如果轉變溫度達到室溫，用來進行無損電力傳輸與儲存的超導線路將很快地被部署在全世界。"

夢想也因而存在。

※ 相關報導：

＊ Orbital-Independent Superconducting Gaps in Iron Pnictides
http://www.sciencemag.org/content/332/6029/564

T. Shimojima, F. Sakaguchi, K. Ishizaka, Y. Ishida, T. Kiss,
M. Okawa, T. Togashi, C.-T. Chen, S. Watanabe, M. Arita,
K. Shimada, H. Namatame, M. Taniguchi, K. Ohgushi,
S. Kasahara, T. Terashima, T. Shibauchi, Y. Matsuda,
A. Chainani, and S. Shin.
Science 29 April 2011: Vol. 332 no. 6029 pp. 564-567
doi: 10.1126/science.1202150