搀杂剂可以显著改变超导体的电子结构

据《科学日报》（ScienceDaily）2013年2月17日报道，《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站当天公布的一篇论文——M. P. Allan, T-M. Chuang, F. Massee, Yang Xie, Ni Ni, S. L. Bud’ko, G. S. Boebinger, Q. Wang, D. S. Dessau, P. C. Canfield, M. S. Golden & J. C. Davis. Anisotropic impurity states, quasiparticle scattering and nematic transport in underdoped Ca(Fe_1−xCo_x)₂As₂. Nature Physics, 17 February 2013 DOI: 10.1038/nphys2544.介绍了掺杂物质对于超导体电子结构的影响研究结果。

在过去20余年之间，科学家们已经发现了少量的一些材料,这些材料可以从磁绝缘体或金属转换成能够携带电流而没有能量损失的“超导体”，这无疑对于零电阻电子产品、储能和传输系统而言是一种非常有前途的新型材料。目前,实现超导的一个关键步骤除了将材料置于超低温环境之外，就是在母体材料的晶体框架的某些位置替代另一种不同种类的原子即通过掺杂的手段来实现超导。迄今为止,科学家们认为这一掺杂过程只需添加更多的电子或者说是电荷载体,从而使电子环境更有利于形成在某一特定低温下才具有的传导性，即可以移动而没有能量损失的电子对。

科学家已经发现钴原子替代一种铁基材料晶体框架中的某些铁原子之后，在每个钴原子周围形成了细长的杂质态(注意上图电子结构图中在每个钴原子周围定向排列的“孪生”峰)。这些细长的杂质然后以非对称方式散射电子，可以解释这种材料的许多特殊性能,并可能最终导致为能量传输和存储实际应用设计出新型超导体。现在, 铁基超导体的一些新研究成果已经被一个国际科学家联合小组在《自然物理》杂志网站2013年2月17日发表，其中包括了来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）、美国康奈尔大学（Cornell University）、美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）、佛罗里达州立大学（Florida State University）、爱荷华州立大学（Iowa State University）、科罗拉多大学（University of Colorado）；中国台湾中央研究院(Academia Sinica)、荷兰阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）、英国圣·安德鲁斯大学（University of St Andrews）的物理学家，他们的研究结果表明掺杂除了添加电子之外,还大大改变了母体材料原子尺度上的电子结构,对于载流电子行为具有重要影响。

此研究的领导作者美国康奈尔大学物理学特聘教授、布鲁克海文实验室超导中心顾问同时也是康奈尔大学物理学J.G. White著名教授J. C.谢默斯·戴维斯（J.C. Séamus Davis）认为，关键观察——掺杂原子引入细长杂质态以不对称的方式散射该材料中的电子——有助于解释大部分不同寻常的材料特性。J. C.谢默斯·戴维斯认为他们的研究结果为理论科学家试图解决这些材料是如何工作的内在原因提供了一个新起点,并有可能为设计和改进超导体特性提供新方法，指出新方向。

研究人员采用由戴维斯开发的一种名为光谱成像扫描隧道显微术使母体材料中单个掺杂原子周围的电子性质形象化,同时监控这些搀杂剂周围的电子如何发生散射，在本例中掺杂物就是钴原子。早期的研究表明,某些非超导母体材料的电子性质有很强的定向依赖性。例如,电子能够更容易地在一个方向通过晶体，但是在垂直方向就不那么容易。然而,在这些研究中,只有当科学家将掺杂物置于特定材料时，强定向依赖信号才会出现，而且掺杂物添加越多，定向依赖信号越强。在此之前,该假设是掺杂物仅仅添加电子,且材料的特性包括超导性的出现都是由于一些内在特性（如相邻原子的电子自旋交替排列)导致定向依赖性。但电子性质的定向依赖性的出现，是随着掺杂物添加量的增加，导致定向依赖性变得更强，这本身就是由于掺杂物的添加所致,而不是该材料的一种固有特性。对此研究人员决定通过直接成像先测试这种想法的可靠性，探个究竟。探视结果表明：

（1）整个晶体每个钴掺杂原子都有一个细长的杂质态——量子力学态束缚钴原子——在一个特定的方向排列(对于每个钴原子均如此)。

（2）这些椭圆形的、排列整齐的杂质态以不对称的方式分散载流电子远离杂质态，类似于将一个细长棍扔进池塘里，引起涟漪的水波不对称地向外传播,而不是向池塘投入一块卵石，会产生圆形模式的涟漪的水波对称地向外传播。

这些直接观测结果说明了电流穿过这些材料的大部分未解之谜。例如, 你会仅仅根据母体材料的特点预料电流在垂直方向的流动更加轻松容易。这些结果表明,掺杂确实会对母体材料的电子结构产生引人注目的影响。这是可能的,研究人员已经发现可能是类似于早期半导体的掺杂物效应。这些材料的早期版本虽然是有用的,但是已经远不及那些在20世纪70年代之后开发出来的材料性能，当贝尔实验室的科学家想出一个办法来移动掺杂原子远离电子,这样它们不会陷入困境。技术进步使理想成为可能,我们现在每天使用的所有的微电子技术包括手机就是最好的例证。如果我们发现在铁乃至铜超导体中的掺杂原子是做一些我们不希望的工作，也许我们甚至可以找到一种方法来移动它们，使其远离活跃电子，以制造更多有用的新型材料。

更多信息请浏览：Anisotropic impurity states, quasiparticle scattering and nematic transport in underdoped Ca(Fe1−xCox)2As2.