每秒100万亿帧！人类拍到了电子随原子起舞的宝贵“片子”

领导该事情的美国SLAC国家加速器实验室首席科学家、美国国家科学院院士沈志勋，向澎湃新闻（www.thepaper.cn）先容这个揭橥在上周的《科学》期刊上的成果：“我们相称于给原子和电子们拍了一段每秒100万亿帧的视频，同时空间分辨率达到头发丝的十亿分之一。

我们当然不能像看好莱坞影片一样，常规地通过屏幕不雅观看这种每秒100万亿帧的动态。
研究职员截取了个中大约1000帧，串联出了一段原子和电子之间耦合浸染的动画。

硒化铁材料中，电子随着原子“起舞”的仿照动画

这种“影片”拍摄材料在原子尺度上的精彩“演出”，是一种新型的研究方法，能帮助科学家们探求到更空想的材料。
就高温超导而言，干系材料可被广泛运用于核磁共振成像、磁悬浮、量子打算等领域。

非传统超导体

超导是20世纪最主要的科学创造之一，指的是某些材料在温度降落到某一临界温度以下时，电阻溘然消逝的征象。
1913年，荷兰科学家翁内斯（Onnes）凭借创造汞在液氦温度下的超导性，得到诺贝尔物理学奖。
而不断提高超导的临界温度，也成了后继科学家们的奋斗目标。
一百年来，有近20位科学家因在超导及干系领域的研究打破而得到诺贝尔物理学奖。

那么，超导征象是如何产生的呢？常日情形下，电子在定向运动时会与金属晶格碰撞，形成电阻。
1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理论，即具有相反自旋和动量的电子对通过与晶格振动声子的交流浸染，相互吸引，形成库珀电子对。
而这个库珀对的大规模集结可以在晶格中无阻碍传输。
临界温度的存在，则是由于较高温度下更强的晶格振动，给库珀对造成毁坏。
三人也因此荣获1972年的诺贝尔物理学奖。

不过，BCS理论并不能阐明所有的超导征象。
硒化铁便是一种超出BCS理论的“非传统超导体”，能在极度低温下实现超导。
2012年，中国的一个研究团队创造，如果把硒化铁薄层置于钛酸锶（STO）基底上，就能大大提高临界温度。
虽然这个温度（零下213摄氏度）依然很低，但已足够归入“高温超导”的行列步队。

两种摄像头

沈志勋的团队把稳到了硒化铁这种非传统超导体。
在2014年《自然》期刊上的一篇文章中，他们就用角分辨光电子能谱（ARPES）的方法，创造STO基底里的原子振动，通报到了硒化铁中，并给电子供应了额外的能量，以强化库珀对。

这次，沈志勋团队用红外激光照射硒化铁薄层，就像用一把小锤子轻小扣了一下钟，引发材料中的原子振动。

在固体物理学的观点中，结晶态固体中的原子按一定的规律排列在晶格上。
只不过，这些原子并非静止不动，而是环绕其平衡位置不断振动。
此外，原子之间也存在相互浸染力，使得原子的振动并非相互独立，就像由弹簧连接而成。
实验中的红外激光，起到的浸染便是“推”动这些弹簧振动。

红外激光照射硒化铁薄层，就像用一把小锤子轻小扣了一下钟，引发材料中的原子振动

他们再结合自由电子激光（XFEL）和韶光分辨ARPES这两个超快“摄像头”，在两个独立的实验等分别将原子和电子的实时运动拍了下来。

首先，研究职员通过超快X射线衍射图像，确定原子的位移情形。
接着，他们通过真空紫外“打”出电子，记录电子能带构造的变革。

通过这两个“摄像头”，研究职员创造上述两个变革的频率是相符合的，也便是说，原子和电子踩着同样的歩点“起舞”。

这项研究并不能直接证明，原子和电子之前的强耦合浸染，便是硒化铁的超导秘笈。
但它离开基于理论的猜想，实践了纯实验的研究。

未参与这项研究的美国芝加哥大学科学家伽利（Giulia Galli）评价道，硒化铁这种材料固然十分主要，许多人想穷究其理，但这项实验采取的方法，即能够实时丈量电子和原子间的相互浸染，是一个打破。
这对材料研究至关主要。
未来，通过给材料拍更多的超快“电影”，科学家们可以验证许多理论。

中国也将建成可以给原子“拍电影”的光源

实验利用的光源LCLS（直线加速相关光源），属于“第四代光源“——自由电子激光，从属美国能源部，由斯坦福大学经营。
目前，LCLS正在经历一次代价10亿美元的升级，估量于2019年完成。

今后，沈志勋的团队将连续用这种超高精度、超高速的“超微相机”研究原子和电子之间的互动，首先“拍摄”的主角便是铜基高温超导材料，他见告澎湃新闻（www.thepaper.cn）。
升级后的LCLS将大大推进研究进度，亮度和效率会提高1000倍。

沈志勋和ARPES设备

中国首台“第四代光源”正在上海张江酝酿。
比起现有的第三代同步辐射光源“上海光源”，第四代X射线自由电子激光的峰值亮度会提高10亿到100亿倍，脉冲长度可达到飞秒量级（1秒的1000万亿分之一）。
可以说，第三代光源只能“拍照片”，而第四代光源才可以“拍电影”。

正如国际科学界的通畅做法，上海X射线自由电子激光在建成后将面向环球开放。
沈志勋先容道，目前LCLS的国际用户就比美国用户还要多。
当被问及他是否也会成为上海X射线自由电子激光的用户，沈志勋说道：“如果能够申请到机时，我们就会来上海参加用户实验。
当然我们必须有好的想法，才能够在激烈的竞争中申请到机时。
”