“文章被接收不足讓我們感到興奮。感到興奮的是，這項(xiàng)研究讓我們學(xué)習(xí)到了未知的部分，彌補(bǔ)了自己知識(shí)的空白?！痹诮邮堋吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)，南方科技大學(xué)副教授殷嘉鑫如是說(shuō)。
近日，一項(xiàng)由殷嘉鑫團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)完成的研究成果登上《自然》。他們?cè)谀峡拼罅孔悠纥c(diǎn)與演生物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到了手性籠目超導(dǎo)振蕩現(xiàn)象，并將電子譜學(xué)空間能量分辨率提升至1微電子伏特。
這一高精度分辨率一舉刷新了由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、康奈爾大學(xué)教授Seamus Davis團(tuán)隊(duì)在2023年創(chuàng)造的10微電子福特量級(jí)的世界紀(jì)錄。
與很多課題組不同，殷嘉鑫帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)有一個(gè)特點(diǎn)，那就是從不開(kāi)組會(huì)，而是把實(shí)驗(yàn)技藝做到極致?！拔覀兊墓ぷ髂Ｊ礁袷恰そ场瑢?shí)驗(yàn)技巧十分關(guān)鍵，因此我傾向于親自指導(dǎo)學(xué)生，進(jìn)行一對(duì)一的交流?！币蠹析谓榻B。
為研究搭好“金剛鉆”
100多年前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。學(xué)界認(rèn)為，超導(dǎo)與磁性是兩種互斥的量子態(tài)，水火不容。此前，有科學(xué)家提出了磁性超導(dǎo)的可能性，在籠目晶格的材料下，超導(dǎo)和磁性都發(fā)生了某種奇特的扭曲，從而有了兼容對(duì)方存在的可能性。
所謂籠目，指的是竹籠格子的星狀圖形。2020年，還在普林斯頓大學(xué)擔(dān)任研究員的殷嘉鑫所在的團(tuán)隊(duì)率先在《自然—材料》期刊中提出了“籠目超導(dǎo)體”的概念，快速成為了物理學(xué)研究的熱門關(guān)鍵詞。
然而，沒(méi)有金剛鉆，做不好瓷器活。想要在籠目結(jié)構(gòu)的材料中觀察到其存在的超導(dǎo)態(tài)并非易事，需要?jiǎng)?chuàng)造極端的物理?xiàng)l件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這種量子物態(tài)的觀測(cè)。
“這對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求極高。即使是我所在的普林斯頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，也沒(méi)有先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件能夠觀測(cè)到這種現(xiàn)象。”殷嘉鑫介紹，慶幸的是，在他2022年回國(guó)后，南科大的量子奇點(diǎn)與演生物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室在校長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)和物理系的大力支持下順利建設(shè)完成，滿足了他的研究所需要的實(shí)驗(yàn)條件。
用于觀測(cè)籠目晶格超導(dǎo)態(tài)的極低溫超高能量分辨率的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng) 刁雯蕙攝
殷嘉鑫介紹，搭建這個(gè)“金剛鉆”主要分為幾個(gè)步驟：“首先，需要建設(shè)一個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)室空間，在實(shí)驗(yàn)室里挖一個(gè)深達(dá)4米、寬4米的巨坑，并填充減震沙子；然后，放置二三十噸的水泥塊進(jìn)一步鈍化外界震動(dòng)；接下來(lái)，用金屬將整個(gè)屋子包裹起來(lái)，以屏蔽電磁信號(hào)?！币蠹析谓榻B，在這個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)室空間里，搭建所需要的實(shí)驗(yàn)儀器和所需要的真空腔體、制冷系統(tǒng)和顯微鏡部件，以達(dá)到研究所需要的極限條件。
在南科大量子奇點(diǎn)與演生物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室里，殷嘉鑫進(jìn)一步帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)搭建了極低溫超高能量分辨率的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，采用潘氏馬達(dá)技術(shù)路線，開(kāi)展超低溫的籠目超導(dǎo)態(tài)的高分辨測(cè)量和研究。
“在鋼絲上行走”
在這項(xiàng)研究中，殷嘉鑫團(tuán)隊(duì)在籠目超導(dǎo)體KV3Sb5和CsV3Sb5中發(fā)現(xiàn)手性超導(dǎo)能隙振蕩，周期為2×2。超導(dǎo)能隙振蕩的手性可以被施加的外磁場(chǎng)調(diào)控成順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。此外，團(tuán)隊(duì)還利用超導(dǎo)針尖構(gòu)建約瑟夫森隧道結(jié)，探測(cè)到配對(duì)電子密度為2×2的手性振蕩。
審稿人在評(píng)價(jià)中指出，研究團(tuán)隊(duì)所做的實(shí)驗(yàn)難度很高，所展示的空間能量分辨率是目前最好的。在科學(xué)層面，該工作解釋了籠目超導(dǎo)體中的微小磁性，以及超導(dǎo)與磁性在籠目晶格中的對(duì)立與統(tǒng)一。
“這是一種追求極致的技術(shù)。就好比在刮風(fēng)下雨的環(huán)境下，在百層高的摩天大樓上進(jìn)行鋼絲表演?！币蠹析握f(shuō)道，這項(xiàng)研究最難的地方，便是創(chuàng)造一種極端的物理環(huán)境對(duì)籠目晶格材料進(jìn)行觀測(cè)，需要同時(shí)滿足三種條件：
一是運(yùn)用一種非常尖銳的針尖來(lái)探測(cè)超導(dǎo)電子的量子態(tài)，這個(gè)針尖只有一個(gè)原子大小，可以達(dá)到原子級(jí)的空間分辨率；二是創(chuàng)造一種極低溫的環(huán)境，測(cè)量溫度比宇宙空間中的溫度（3開(kāi)爾文）還要低兩個(gè)量級(jí)；三是設(shè)計(jì)一套屏蔽系統(tǒng)和測(cè)量方法，形成一種噪音水平很低的觀測(cè)環(huán)境。
殷嘉鑫 受訪者供圖
為了驗(yàn)證研究結(jié)論，殷嘉鑫團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次重復(fù)論證，他們運(yùn)用三種不同的籠目結(jié)構(gòu)的姊妹材料，通過(guò)普通針尖和超導(dǎo)針尖兩種方式進(jìn)行論證，最終成功地在所有籠目結(jié)構(gòu)材料中重復(fù)出現(xiàn)了相同的現(xiàn)象。
“物理學(xué)家是保守的革命者，學(xué)術(shù)上的銜接是很重要的。當(dāng)我們看見(jiàn)了前人沒(méi)有看見(jiàn)的現(xiàn)象后，新結(jié)論是否與前人的研究形成銜接。這是我們一直在思考的問(wèn)題?！币蠹析谓榻B，對(duì)此，當(dāng)他重讀了理論物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士于淥在1964年發(fā)表的研究，發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)所觀測(cè)到的現(xiàn)象與于淥提出的研究結(jié)論形成了對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系。相關(guān)的評(píng)論文章于上個(gè)月在《物理學(xué)報(bào)》上發(fā)表。
用挑剔的眼光做科研
“我本身是一個(gè)比較挑剔的人，這種性格也體現(xiàn)在科研上。我首先會(huì)批判自己的研究，也忍不住會(huì)批判別人。但這樣容易得罪人，所以我不愛(ài)出去開(kāi)會(huì)?！币蠹析涡χf(shuō)。
他回憶道，有一次在實(shí)驗(yàn)室里，一位研究生采集的數(shù)據(jù)包含了大量的噪音，但學(xué)生堅(jiān)持采集此類數(shù)據(jù)，并認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)能夠驗(yàn)證他的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。殷嘉鑫隨即指出，這樣的數(shù)據(jù)在說(shuō)服力上顯得薄弱，因?yàn)橥饨绾芸赡軙?huì)對(duì)噪音中信號(hào)的真實(shí)性提出質(zhì)疑。隨后，他們共同優(yōu)化了測(cè)量策略，提升了采樣率，排除了屏蔽室內(nèi)的噪音源，最終成功地提高了數(shù)據(jù)的信噪比。
殷嘉鑫（左三）與研究團(tuán)隊(duì) 受訪者供圖
正是這種科研工作中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，讓這項(xiàng)研究的投稿過(guò)程十分順利。自2023年12月底，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始向Nature投稿，短短半年的時(shí)間，便被接收。“在投稿前，我會(huì)先讓團(tuán)隊(duì)內(nèi)部進(jìn)行自查自糾，不斷凝練和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確保數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性和充分性。這是我們投稿后比較順利的一個(gè)原因?！?span style="display:none">DKa即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
殷嘉鑫看來(lái)，科研是探索未知，也是一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程，要以不斷學(xué)習(xí)的心態(tài)，力爭(zhēng)每天都有進(jìn)步。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)也將進(jìn)一步在籠目晶格中探索不同于超導(dǎo)與量子霍爾效應(yīng)的第三類宏觀量子態(tài)?！盎谇捌诘难芯浚覀冋J(rèn)為第三類宏觀量子態(tài)可能有三個(gè)特征，一是來(lái)自實(shí)驗(yàn)探索而非理論預(yù)言；二是來(lái)自于兩種以上量子物性的耦合；三是來(lái)自先進(jìn)量子譜學(xué)技術(shù)?！彼硎?。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07798-y
本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-8-7207-0.html不開(kāi)組會(huì)，專注實(shí)驗(yàn)，他們的一項(xiàng)研究刷新世界紀(jì)錄
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