圖1：防曬霜中的三聯(lián)苯(來(lái)自www.technologyreview.com)

漏網(wǎng)之“魚(yú)”

經(jīng)過(guò)100多年來(lái)的超導(dǎo)研究，發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料達(dá)到上萬(wàn)種，包括金屬和非金屬單質(zhì)、合金、金屬間化合物、氧化物等等，五花八門(mén)。但大部分超導(dǎo)材料都是無(wú)機(jī)的，在更加龐雜的有機(jī)材料中再搜尋超導(dǎo)電性，或許機(jī)遇更多一些。在已知的有機(jī)超導(dǎo)體中，以堿金屬摻雜C₆₀和多苯環(huán)化合物為代表的T_c可達(dá)38 K以上。對(duì)于其它含苯環(huán)化合物是否可以獲得超導(dǎo)電性，科學(xué)家們?nèi)栽诓粩嗟膰L試。2017年3月,中國(guó)的陳曉嘉團(tuán)隊(duì)宣布在K摻雜的三聯(lián)苯或?qū)θ?lián)苯中可能存在T_c=120 K以上的跡象。三聯(lián)苯普遍存在于各種化妝品和護(hù)膚品（尤其是防曬霜）中，竟然隱藏著如此高溫的超導(dǎo)電性，是否意味著日常材料中還有其它超導(dǎo)的漏網(wǎng)之魚(yú)（圖1）？

圖2：類(lèi)鐵基超導(dǎo)體的新型稀磁半導(dǎo)體

意外之“魚(yú)”

在研究鐵基超導(dǎo)時(shí)，科學(xué)家們注意到超導(dǎo)往往和磁性相伴相生。事實(shí)上，如果把Fe換成其它別的元素，那么材料的磁性很可能消失，或者是變成了帶磁性的材料，超導(dǎo)也就未必存在了。中科院物理所靳常青研究組和浙江大學(xué)寧凡龍研究組相繼發(fā)現(xiàn)了多種類(lèi)似鐵基超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的磁性和非磁性材料，且相同結(jié)構(gòu)情形下是相容的。他們將極少量的磁性材料摻雜入非磁性的母體中，獲得了新的稀磁半導(dǎo)體，居里溫度可達(dá)180 K以上。這種結(jié)構(gòu)的稀磁半導(dǎo)體，可以存在于與鐵基超導(dǎo)對(duì)應(yīng)的“111”、“1111”、“122”、“32522”的不同化合物，構(gòu)成了一類(lèi)新材料體系，可謂是探索鐵基超導(dǎo)之余的重大意外發(fā)現(xiàn)（圖2）。

  圖3：TiSe₂中電子態(tài)的門(mén)電壓調(diào)控(來(lái)自www.nature.com)

圖4：FeSe類(lèi)超導(dǎo)體的分子插層與門(mén)電壓調(diào)控(中國(guó)科大陳仙輝研究組提供)

電控之“魚(yú)”

在銅氧化物高溫超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體中，載流子濃度均是超導(dǎo)電性的關(guān)鍵因素。隨著載流子濃度的升高，本來(lái)是具有長(zhǎng)程磁有序的母體，會(huì)逐漸被改造成導(dǎo)電良好的金屬態(tài)，并出現(xiàn)超導(dǎo)電性。改變載流子濃度的方式通常是元素替換或摻雜，如果參照半導(dǎo)體材料器件的設(shè)計(jì)，可以用“門(mén)電壓調(diào)控”改變載流子濃度。門(mén)電壓調(diào)控就是強(qiáng)行施加外界電壓，讓電子注入到材料內(nèi)部去。這一手段對(duì)層狀二維材料尤其好使，許多過(guò)渡金屬硫族化物（如TiSe₂、MoS₂、SnSe₂等），原本存在各種有序態(tài)（如電荷密度波態(tài)），通過(guò)門(mén)電壓引入載流子之后，也能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，其電子態(tài)相圖與高溫超導(dǎo)極其類(lèi)似（圖3）。非常有意思的是，同樣是層狀準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)的鐵硒類(lèi)超導(dǎo)體，一是通過(guò)門(mén)電壓調(diào)控，可以把臨界溫度從9 K左右提升到40 K以上，而且載流子的變化還可以把超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)化成鐵磁絕緣態(tài)；二是大分子插層，即用結(jié)構(gòu)尺寸較大的分子甚至是有機(jī)分子對(duì)FeSe進(jìn)行插層，讓FeSe層與層之間盡可能地分開(kāi)，這樣一來(lái)載流子就高度集中在單一的FeSe原子層里面了，使單層FeSe類(lèi)似于超導(dǎo)薄膜，臨界溫度能夠提升到48 K以上（圖4）。

圖5：載流子調(diào)控下的“魔角”石墨烯超導(dǎo)(來(lái)自www.nature.com)

圖6：冷原子體系中的費(fèi)米子配對(duì)凝聚現(xiàn)象(來(lái)自journals.aps.org)

擬態(tài)之“魚(yú)”

在不擊穿材料的前提下，門(mén)電壓提供的載流子注入足以影響材料的許多物理性質(zhì)。因此，針對(duì)高溫超導(dǎo)復(fù)雜的摻雜電子態(tài)相圖和難啃的微觀機(jī)理，我們可以從另一個(gè)角度來(lái)理解它——用其它更為干凈的材料來(lái)“擬態(tài)”超導(dǎo)。比如，利用超導(dǎo)的金屬鋁和絕緣的氧化鋁，可以人工構(gòu)造金屬-絕緣體-金屬的三明治結(jié)構(gòu)（類(lèi)似銅氧化物的載流子庫(kù)+導(dǎo)電層的結(jié)構(gòu)），也能獲得電荷轉(zhuǎn)移、贗能隙的類(lèi)似物理。石墨烯是一種非常干凈的二維材料，操控相對(duì)簡(jiǎn)單方便。如果把兩層堆疊的石墨烯相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)很小的角度（1°左右），就形成了所謂“魔角”石墨烯。美國(guó)麻省理工學(xué)院的曹原和Pablo Jarillo-Herrero發(fā)現(xiàn)特定“魔角”的石墨烯對(duì)應(yīng)非常少的載流子濃度，很可能是一個(gè)莫特絕緣體，而在門(mén)電壓調(diào)控下也能轉(zhuǎn)化成金屬導(dǎo)電性甚至超導(dǎo)，其電子態(tài)相圖和銅氧化物材料的相似度驚人。盡管“魔角”石墨烯的T_C僅1.7 K，但是在低載流子濃度下出現(xiàn)超導(dǎo)電性顯得非常罕見(jiàn)（圖5）。載流子濃度決定T_C是超導(dǎo)體的一個(gè)典型特點(diǎn)，它涉及一個(gè)更深層次的物理問(wèn)題——高溫超導(dǎo)電性是否介于BEC態(tài)（玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)）和BCS超導(dǎo)態(tài)之間？或者，高溫超導(dǎo)態(tài)是否就是電子作為費(fèi)米子配對(duì)后凝聚的BEC態(tài)呢？既然相互作用的冷原子團(tuán)簇——費(fèi)米子也能實(shí)現(xiàn)BEC態(tài)，就有可能是費(fèi)米子實(shí)現(xiàn)類(lèi)似超導(dǎo)庫(kù)伯對(duì)的形式。實(shí)驗(yàn)中在特定磁場(chǎng)區(qū)域觀察到了磁通渦旋態(tài)(圖6)，利用光子晶格束縛冷原子，可以模擬再現(xiàn)高溫超導(dǎo)材料中的d波超流電子對(duì)，這些現(xiàn)象視乎表明高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)制適用于多種物理體系，對(duì)于推動(dòng)基礎(chǔ)物理理論具有重要意義。

   圖7：超導(dǎo)體/拓?fù)浣^緣體結(jié)構(gòu)中的二重超導(dǎo)電性(來(lái)自advances.)

圖8：載流子調(diào)控實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣^緣態(tài)到超導(dǎo)態(tài)(來(lái)自www.)

從拓?fù)浣^緣體到超導(dǎo)

傳統(tǒng)絕緣體可提供的載流子濃度極低，其導(dǎo)電性很差。有一類(lèi)新的非平庸絕緣體——拓?fù)浣^緣體，它除了具有三維不導(dǎo)電的絕緣體態(tài)之外，還同時(shí)具有二維導(dǎo)電的金屬表面態(tài)。在二維拓?fù)浣^緣體中，表面或邊界態(tài)的電子自旋可以和動(dòng)量鎖定，在邊界將出現(xiàn)一維自旋螺旋鏈，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“量子自旋霍爾效應(yīng)”等一系列神奇量子現(xiàn)象。如果能夠連續(xù)調(diào)控非平庸拓?fù)鋺B(tài)到超導(dǎo)態(tài)，那么將有可能實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體，借助超導(dǎo)態(tài)下的穩(wěn)定電子配對(duì)和量子相干效應(yīng)，可能出現(xiàn)一種反粒子為其自身的狀態(tài)——馬約納拉零能模，它是拓?fù)淞孔佑?jì)算的基本載體。特別是利用超導(dǎo)鄰近效應(yīng)，即在拓?fù)浣^緣體的表面鍍上一層超導(dǎo)薄膜，會(huì)發(fā)生許多跟拓?fù)湫再|(zhì)相關(guān)的物理現(xiàn)象。例如在四度對(duì)稱的晶格上出現(xiàn)二度對(duì)稱的超導(dǎo)電性（圖7），甚至捕捉到馬約納拉零能模的存在 。單層結(jié)構(gòu)的WTe₂是二維拓?fù)浣^緣體，具有一維導(dǎo)電邊界態(tài)以及量子自旋霍爾效應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行門(mén)電壓調(diào)控載流子濃度，也能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性，最高臨界溫度約為1 K，是否非平庸超導(dǎo)尚待探究（圖8）。因此，根據(jù)這類(lèi)材料的拓?fù)涑瑢?dǎo)特性，構(gòu)造原型電子元器件，極有可能勝任多種拓?fù)淞孔佑?jì)算，帶來(lái)信息時(shí)代的新革命。

圖9：基于結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)的新型鐵基超導(dǎo)體(來(lái)自cpb.iphy.ac.cn)

超導(dǎo)的“漁網(wǎng)”

最近，科學(xué)家們也開(kāi)始人工“搭積木”構(gòu)造新的超導(dǎo)體，并從理論上預(yù)言新超導(dǎo)材料。例如，浙江大學(xué)的曹光旱團(tuán)隊(duì)根據(jù)鐵基超導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu)單元和化學(xué)配位法則，提出了十余種新型結(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)材料（圖9）。中科院物理所的胡江平團(tuán)隊(duì)也提出了“高溫超導(dǎo)基因”的概念。他們認(rèn)為超交換的反鐵磁耦合是形成銅氧化物和鐵基高溫超導(dǎo)的根本原因，對(duì)應(yīng)的局域晶體結(jié)構(gòu)為八面體配位或四面體配位，這就是高溫超導(dǎo)的基因。他們認(rèn)為二維六角晶格里的三角配對(duì)也可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性，甚至在Co或Ni基材料中可能出現(xiàn)高溫超導(dǎo)電性（圖10）。此外，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智，在海量的超導(dǎo)材料數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以提煉出與高溫超導(dǎo)密切相關(guān)的因素，從而預(yù)言出大量的新超導(dǎo)材料。看來(lái)，超導(dǎo)探索正在從“臨淵釣魚(yú)”走向“撒網(wǎng)捕魚(yú)”的新時(shí)代！

圖10：高溫超導(dǎo)結(jié)構(gòu)“基因”及新材料設(shè)計(jì)(來(lái)自journals.aps.org)