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科学|超导研究的历史与挑战：曾经辉煌，今路在何方？( 七 )


五 百花齐放——超导研究的主要手段
最后 ， 我们简要介绍一下超导研究的主要手段 。 在实际研究中 ， 物理学家通常会结合不止一种手段 。 这些手段包括：
（1）新超导材料的实验探索以及高质量超导样品的制备 ， 尤其是高质量单晶样品的制备 。 如果把前者比作炒菜 ， 那么后者更像是绣花 。 这既是创造新的超导临界温度记录的必要途径 ， 也是开展深入的超导机理实验研究的基础 。 近年来 ， 超导新材料的探索开始逐渐摆脱主要依赖实验者个人经验的既有模式 ， 更多地与材料物性的计算机模拟以及材料数据库的大数据搜索结合 。 同时 ， 为了讨论超导机理 ， 人们开始更多地关注在精确控制的条件下生长的人工材料的超导特性 。
（2）超导材料物理性质的实验研究 。 研究人员主要关注体系的热力学行为、输运行为以及各种电子能谱行为 。 其中 ， 各种电子能谱由于其提供的信息直接反映体系中电子运动的微观特征 ， 这对于超导机理的研究格外有用 。 几种常用的电子能谱手段包括角分辨光电子能谱（ARPES） ， 非弹性中子散射谱（INS） ， 核磁共振谱（NMR） ， 扫描隧道显微谱（STM） ， 光电导谱（Optical conductivity） ， 共振非弹性X-射线散射谱（RIXS）等等 ， 它们的原理和作用简介如下
a. 角分辨光电子能谱（ARPES）：利用光电效应测量材料中电子能量随动量的变化 。 当电子运动存在强关联效应时 ， 单个电子并不具有确切的能量 。 由此我们可以想象 ， 具有强的电子关联效应的高温超导体的角分辨光电子能谱一定包含丰富的结构 ， 蕴含丰富的相互作用信息 。
b. 非弹性中子散射谱（INS）：利用中子得布罗意波的衍射效应测量材料中原子或者磁矩的动态涨落 。 对于高温超导体的研究来说我们更加关心磁性涨落 ， 因为强烈的磁性涨落是电子强关联效应的直接体现 。 在包括铜氧化物高温超导体在内的大量非常规超导体中 ， 磁性涨落被普遍认为是导致超导的核心要素 。
c. 核磁共振谱（NMR）：利用核磁矩能级间的量子跃迁探测原子周围的磁性涨落行为 。 在某种程度上 ， 核磁共振谱可以看作是非弹性中子散射谱的实空间版本 ， 因为它可以直接分辨不同原子位置上磁性涨落的差异 ， 但是核磁共振谱测量的能量范围比非弹性中子散射小得多 。
d. 扫描隧道显微谱（STM）：利用量子隧穿效应探测扫描探针周围的电子能态密度分布 。 和核磁共振谱类似 ， 扫描隧道显微谱可以看作是角分辨光电子能谱的实空间版本 。 但是扫描隧道显微谱测量的能量范围并不受限制 ， 而且可以同时测量占据态和非占据态的电子态密度 。 后者是角分辨光电子能谱做不到的 。
e. 光电导谱（Optical conductivity）: 利用从微波到可见光频段的光的反射或吸收测量材料中的电荷动力学行为（以及晶格动力学行为） 。 光电导谱对于强关联电子系统的研究非常重要 。 因为在这一系统中 ， 由于电子相互作用和晶格效应 ， 电子的动量与电子携带的电流不再直接相关 。 因此 ， 尽管电子体系的总动量守恒 ， 但是光所激发的电流却可以有复杂的动力学行为 。 另外 ， 从光电导谱的积分还可以直接得到体系中电子总动能的信息 。
f. 共振非弹性X-射线散射谱（RIXS）：利用光在材料上的非弹性散射测量材料中的各种集体运动模式的能量随动量的变化 。 这是凝聚态物理研究中一个新兴的测量手段 ， 因为光可以与材料中的多种自由度耦合 ， 例如磁性、电荷、晶格、轨道自由度等等 。 因此材料的RIXS能谱中同时包含了材料中多种自由度的信息 。 这既是有利的一面（当几种自由度高度纠缠时） ， 同时也使信号的理论分析变得复杂 。
需要说明的是 ， 以上这些电子能谱方法几乎无一例外都是在高温超导研究需求的驱动下得到发展和完善的 。 它们现在已经成为凝聚态物理研究的通用手段 。


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