中 日 科 学 家 联 手 在 超 导 领 域 取 得 重 大 突 破
(2005年3月) 据 中 国 消 息,3 月 2 日, 中 日 科 学 家 在 北 京 和 东 京 两 地 同 时 宣 布, 由 中 国 科 学 院 院 士、 中 国 科 学 院 理 化 技 术 研 究 所 陈 创 天 研 究 员 和 中 国 工 程 院 院 士、 中 国 科 学 院 物 理 所 研 究 员 许 祖 彦 共 同 领 导 的 中 方 研 究 组 和 日 本 东 京 大 学 物 性 所 教 授 Watanabe、 Shin 领 导 的 日 方 研 究 组, 经 过 3 年 的 共 同 努 力, 利 用 中 方 提 供 的 新 型 紫 外 非 线 性 光 学 晶 体 KBBF(KBe2BO3F2) 和 棱 镜 耦 合 技 术, 首 次 成 功 地 研 制 出 能 量 分 辨 率 优 于 1meV 的 超 高 分 辨 率 光 电 子 能 谱 仪, 首 次 直 接 观 察 到 超 导 电 子 态, 这 一 重 大 科 学 成 果 已 发 表 在 近 期 出 版 的 《物 理 评 论 快 报》 第 94 卷 上。

据 了 解, 普 通 低 温 超 导 体 的 一 般 理 论 是 由 美 国 3 位 科 学 家 Bardeen, Cooper 和 Schrieffer 于 1957 年 提 出 的, 通 常 简 称 为 超 导 的 BCS 理 论, 并 获 得 了 1972 年 度 的 诺 贝 尔 奖。 在 BCS 理 论 中, 他 们 提 出 金 属 超 导 体 在 超 导 态 时, 电 子 必 须 形 成 Cooper 对, 并 在 费 米 面 形 成 一 个 超 导 能 隙。 上 世 纪 80 年 代 以 来 发 现 的 高 Tc 化 合 物 超 导 体, 其 超 导 机 制 和 金 属 超 导 体 有 很 大 的 不 同, 化 合 物 超 导 体 有 超 导 能 隙, 但 是 此 能 隙 可 能 具 有 各 向 异 性 特 点。 然 而, 一 般 的 光 电 子 能 谱 仪 能 量 分 辨 率 低 于 1meV, 不 能 直 接 观 察 到 超 导 体 的 超 导 电 子 态 密 度 及 其 变 化, 特 别 是 化 合 物 超 导 体 能 隙 的 各 向 异 性 现 象, 世 界 各 国 科 学 家 为 此 做 出 了 很 大 努 力, 但 到 目 前 为 止 尚 未 成 功。

为 了 能 直 接 观 察 到 超 导 体 在 超 导 态 时 的 超 导 电 子 态 密 度 的 变 化, 中 日 科 学 家 早 于 2002 年 就 开 始 合 作, 准 备 建 造 超 高 分 辨 率 光 电 子 能 谱 仪。 这 台 仪 器 的 关 键 技 术, 就 是 获 得 真 空 紫 外 光 谱 区 准 连 续 波 (QCW) 的 激 光。 在 这 一 合 作 中, 陈 创 天 院 士 和 许 祖 彦 院 士 所 共 同 领 导 的 中 方 研 究 组 提 供 了 一 种 新 的 紫 外 非 线 性 光 学 晶 体 KBBF 和 棱 镜 耦 合 技 术, 日 本 东 京 大 学 物 性 所 Watanabe 和 Shin 两 位 教 授 所 领 导 的 日 方 研 究 组 提 供 了 为 产 生 深 紫 外 谐 波 光 所 需 要 的 激 光 系 统。 最 后, 在 国 际 上 首 次 实 现 了 Nd : YVO4 激 光 的 6 倍 频 谐 波 光 输 出, 平 均 输 出 功 率 为 3.5mW, 这 一 谐 波 光 的 线 宽 只 有 0.009 纳 米, 由 于 这 一 光 源 的 每 个 光 子 的 能 量 为 6.994eV, 每 个 光 子 的 能 量 精 确 度 达 到 0.36meV, 光 子 流 密 度 达 到 1015/ 秒, 从 而 初 步 满 足 了 科 学 家 为 建 造 一 台 超 高 分 辨 率 光 电 子 能 谱 仪 所 需 要 的 激 光 光 源。

在 获 得 上 述 激 光 源 的 基 础 上, 进 一 步 利 用 日 方 的 光 电 子 发 射 技 术 和 瑞 典 Scienta 公 司 的 半 球 光 电 子 能 谱 分 析 仪, 成 功 的 建 造 了 分 辨 率 为 0.36meV 的 超 高 分 辨 率 能 谱 仪, 其 分 辨 率 为 国 际 最 高。

借 助 这 台 激 光 光 电 子 能 谱 仪 的 超 高 分 辨 率, 能 够 更 仔 细 地 了 解 固 体 的 特 性。 例 如, 奇 异 的 超 导 体 在 超 导 态 时, 超 导 电 子 态 密 度 分 布 的 测 定 需 要 光 电 子 能 谱 仪 的 能 量 分 辨 率 优 于 1meV。 然 而, 以 前 的 光 电 子 能 谱 仪 其 分 辨 率 均 低 于 1meV, 因 此, 观 察 不 到 超 导 体 在 超 导 态 时 的 超 导 电 子 态 密 度 的 变 化。 为 此, 世 界 各 国 的 科 学 家 都 在 努 力 研 制 分 辨 率 优 于 1meV 的 光 电 子 能 谱 仪。 中 日 双 方 的 这 一 项 目 在 国 际 上 首 次 建 造 了 一 台 分 辨 率 为 0.36meV 的 光 电 子 能 谱 仪, 从 而 可 直 接 观 察 到 超 导 体 在 超 导 态 时 的 超 导 电 子 态 密 度 的 变 化。

在 这 项 研 究 中, 首 次 直 接 观 察 到 CeRu2 超 导 体 在 超 导 态 时 的 超 导 电 子 态, 发 现 这 种 材 料 具 有 奇 特 的 超 导 特 性, 是 用 通 常 的 超 导 理 论 所 不 能 够 解 释 的。 这 将 为 该 类 超 导 体 的 超 导 机 理 研 究 提 供 重 要 实 验 依 据。高 分 辨 率 光 电 子 能 谱 仪 的 研 制 成 功, 使 科 学 家 有 可 能 在 今 后 提 出 新 的 超 导 理 论, 以 推 动 高 温 超 导 材 料 的 发 展。
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