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2017年，中國科學院院士、意昂体育平台教授朱靜進入了一個她不熟悉的研究領域——超導材料，而此前的60余年間，她一直從事電子顯微學研究。在近10年的測定量子材料序參量的電子顯微學方法研究基礎上，朱靜團隊在超導材料中獲得了一些重要發現。

朱靜團隊與合作者利用洛倫茲透射電子顯微鏡，在實驗中首次直接觀察到了欠摻雜的YBa2Cu3O6.5樣品中贗能隙態下存在的拓撲磁渦旋結構。相關研究成果2月22日發表於《自然》。兩位審稿人評價該研究是“重大突破”“重要一步”。

“被人忽略”的強大工具

1986年，德國科學家貝特諾茨和美國科學家繆勒發現，銅氧化物陶瓷材料在較高溫度下出現了超導現象。這被認為是科學發展的重大突破，揭示了一個新的微觀量子世界。

幾十年來，一大批科學家投身高溫超導研究行列，試圖解決其中最具挑戰性的問題——高溫超導現象發生機製。

2017年暑假，朱靜在意昂体育平台校園裏遇到了“忘年交”——中國科學院院士薛其坤。“朱老師，您怎麽不做超導？”薛其坤問道。朱靜回答說：“超導我不懂，也沒有材料。”隨後，朱靜來到薛其坤的辦公室，看到了許多超導相關的研究成果。

作為我國材料電子顯微學領域學術帶頭人，朱靜對如何進一步利用電子顯微鏡中電子和物質交互作用產生的各種信號，有著深刻的認識。但朱靜未曾想過涉足超導領域，她深知，超導研究非常不容易。

“蹭”課、讀文獻和專業教材，朱靜從基礎學起，漸漸了解到，“高溫超導的超導機製不清楚，特別是原子尺度的超導研究更少”。

若能從原子層面了解高溫超導體材料的序參量，將有利於理解高溫超導機製。而在這一問題上，電子顯微學能發揮強大的作用，只不過人們往往將它的功能聚焦在點陣研究上。

自2013年起，朱靜團隊一直致力於發展量子材料序參量的電子顯微學研究。他們利用磁光材料，在高分辨率下協同實驗測量晶格、電荷、自旋、軌道、拓撲量子序參量的有效性和優勢，深入了解多個量子序參量之間隱藏的耦合效應，從而進一步指導各種復雜功能材料的研究和開發。2021年，相關研究成果發表於美國《國家科學院院刊》。

朱靜說，由於銅氧化物的原子結構和電子結構復雜，高溫超導現象在微觀機理研究方面存在許多待解決的科學問題，需要在實空間，用多尺度（從微米尺度到原子尺度）空間分辨率高的實驗手段進行研究。

“我們的實驗使用了最先進的透射電子顯微鏡和與之發展起來的洛倫茲原位電子顯微學技術，以及一個可以在原子尺度下表征物質晶格、電荷、軌道、自旋和拓撲等量子序參量的強大工具。”朱靜說。

深夜12點半的驚喜瞬間

揭示和理解高溫超導中贗能隙態下所蘊含的豐富物理現象，是凝聚態物理領域面臨的重大挑戰之一。

贗能隙現象出現在高溫超導體的正常相中，是一個讓人非常困惑的物理現象，它與高溫超導機理之間的本質聯系，是高溫超導研究的核心問題之一。

朱靜表示，高溫超導銅氧化物的贗能隙態處於超導轉變溫度之上, 位於T*（贗能隙態轉變溫度）溫度之下。已有實驗結果表明，在特征溫度T*以下，存在時間反演對稱性破缺。但是贗能隙態的起源和時間反演對稱性破缺態與超導性的關聯，一直不清楚。如果能夠在實空間更加清楚地解析贗能隙態下的異常磁結構，可以幫助人們進一步理解高溫超導中贗能隙態下豐富的物理現象。

過去，相關研究主要集中在室溫區利用透射電子顯微鏡研究高溫超導銅氧化物及其物理。但是，由於高溫超導的豐富物理現象往往出現在低溫條件下，“如何利用透射電鏡實現在低溫到極低溫條件下對銅基高溫超導體的相關物理研究，是一個很大的挑戰”。朱靜說，他們利用液氦樣品桿，實現了“全溫區”範圍的研究。

沒有新樣品材料，朱靜選擇了高溫超導材料中最經典的兩種——釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）作為研究材料。

團隊利用復旦大學電子顯微鏡實驗室新安裝的當時中國最先進的電子顯微鏡和液氦樣品臺開展樣品測試。實驗前，朱靜也不知道能觀察到什麽現象，只是有種直覺——超導與磁性有很大關聯。於是朱靜告訴學生，要註意銅基高溫超導中贗能隙態下的異常磁激發問題。

然而，一個星期的實驗，團隊一無所獲，準備回京。臨行前一晚，團隊成員不甘心，打算再熬夜搏一搏。

晚上12點30分，電腦屏幕上的圖像一瞬間發生了清晰的“異動”，是量子序參量的拓撲渦旋磁結構。團隊成員頓時困意全消。“這就是異常磁激發！”於是，通過在透射電鏡中原位施加溫度場和磁場，研究人員得到了該拓撲渦旋磁結構的溫度-磁場-空穴摻雜相圖，實驗一直持續到早上8點。

“事實上，2006年，法國學者用中子衍射方法發現了超導材料中的異常磁激發，但是他們一直沒有給出清晰的物理圖像，使得這個異常磁激發分支被人們忽略了。”朱靜告訴《中國科學報》，現代電子顯微鏡具有較高的點陣分辨率和空間分辨率，可以在實空間納米尺度下對材料中的微觀磁結構進行直接探測，最終發現了贗能隙態下存在的拓撲磁渦旋結構。

“研究者要熱愛研究，要成天琢磨科學問題”

通過重復實驗和解釋分析，結合對應的原子結構和電子結構序參量，研究團隊給出了該拓撲磁渦旋結構可能的起源。

研究結果表明，拓撲磁渦旋結構與電荷密度波相存在競爭關系，能夠在較寬的溫度範圍內與超導相共存，這表明此拓撲磁渦旋結構在高溫超導機製中可能具有促進作用。該拓撲磁渦旋序的發現給贗能隙態下時間反演對稱性破缺提供了微觀上的直接圖像，為人們進一步理解和研究銅氧化物中贗能隙態下時間反演對稱破缺提供了新思路和新見解。

兩位審稿人認為“該實驗結果在理解贗能隙態上有重大突破”“該工作在理解贗能隙態上邁出了重要一步”。

“做研究給我帶來了很多樂趣。研究者要熱愛研究，要成天琢磨科學問題。”朱靜說，思考是一件很重要的事情，理解和解讀實驗現象的過程也很有趣。她一直記得導師的一句話：“What you think, what you see（你想什麽就能看到什麽）。”

由於無法再操作具體實驗，朱靜與學生們保持著密切交流。有時她提出想法，指導學生予以實現，有時也被學生的想法啟發，教學相長。

“年輕人很聰明，要鼓勵他們熱愛所做的事情。做研究一定得是高興的。他們熱愛研究、真心感到高興、忘我地投入思考，就會有更多的新想法。”朱靜說。

朱靜看來，這一實驗並不能完全解釋高溫超導機理，其背後可能隱藏著更加豐富的物理知識，將給凝聚態物理的研究帶來啟發。目前，她正帶領學生開展下一步的工作。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05731-3