科技日报记者 夏凡 通讯员 邵一鸣
近日，宁波大学物理科学与技术学院高压物理科学研究院崔田教授、刘召特聘研究员、刘中灏教授联合中国人民大学雷和畅教授、北京高压科学研究中心缑慧阳教授和吉林大学许强教授，在电子化合物超导机理研究领域取得重要进展。该研究建立了一种通过揭示间隙电子二相性理解超导机制的新范式，为开发新型多功能超导电子化合物材料提供了切实可行的物理路径。相关成果日前发表在国际期刊《美国化学会志》上。
如果把材料世界比作一座精密运转的“城市”，那么电子就是穿梭其中的“快递员”，负责在原子之间传递信息和能量。在大多数常规材料中，电子要么紧紧依附在某个“站点”（原子）附近，要么沿着固定的“轨道”（化学键）忙碌奔跑，分工明确、各司其职。然而，大自然偶尔也会制造一些“叛逆”的例外——电子化合物就是这样一类不走寻常路的量子材料。在这类材料中，一部分价电子不愿意依附于任何原子，也不甘心被束缚在化学键的“牢笼”里，而是选择“离家出走”，聚集在晶格内部的空腔中，形成一种极其特殊的“间隙电子”。这就好比一座城市里，有一群人既不回家也不上班，而是集体住在建筑之间的“夹缝”中，自成一派。这些间隙电子因其独特的存在方式，被形象地称为间隙阴离子，它们为超导物性研究搭建了一个前所未有的全新平台，吸引了全球物理学家的目光。然而，一个核心谜题长期悬而未决：这些夹缝中的电子究竟是高度局域化的束缚态，还是能够像自由电子一样活跃地参与超导配对？由于间隙电子极难通过实验直接观测，它们就像一群“隐身人”，其行为特征、能量分布和真实角色一直模糊不清，成为该领域发展的最大瓶颈。
针对这一难题，研究团队选取典型电子化合物La₃In作为研究对象。La₃In在常压下表现出约9.4K的超导转变温度，是探究间隙电子行为的理想“试验场”。研究团队综合运用第一性原理计算与多种实验手段，对La₃In的晶体结构、电子结构和超导性质开展了系统研究。计算结果揭示了一个出人意料的图景：间隙电子并非被死死困在势阱底部“动弹不得”，而是“翻墙而出”，分布在最大有效势垒上方至费米能级的能量区域，展现出显著的近自由电子行为。通俗来说，这些电子拥有一种奇特的“双重身份”——在空间位置上，它们像阴离子一样聚集在晶格的“夹缝”里安居乐业；但在能量层面，它们又如同自由电子一般在费米海中自由驰骋。研究团队将这一独特属性命名为近自由电子阴离子二相性，为理解电子化合物中间隙电子的行为提供了全新的物理图像。
理论预测虽然令人振奋，但科学讲究“眼见为实”。为此，研究团队巧妙设计了一组堪称“拔草除根”的验证实验。他们通过氧掺杂处理La₃In，让氧原子精准占据晶格体心空隙位置，那正是间隙阴离子电子的“老巢”。高分辨单晶X射线衍射实验清晰地证实了氧原子对间隙位点的成功“鸠占鹊巢”，角分辨光电子能谱观测到的能带分布也与理论预测高度吻合，相当于给间隙电子的“通缉令”找到了确凿证据。更令人信服的是，氧掺杂后，体系中具有近自由电子特征的间隙电子数量锐减，电声耦合随之显著削弱，超导转变温度从9.4K骤降至0.5K——降幅超过18倍。
“这个结果就像做了一场‘摘除手术’，把间隙电子从体系中‘摘掉’，超导就跟着‘萎靡不振’了。反过来讲，这就证明了间隙电子绝不是超导过程中的‘吃瓜群众’，而是实实在在的‘核心演员’。”研究人员解释说。这一结果从正反两个维度有力证实了间隙电子的近自由电子属性与超导性之间存在紧密的因果关联。
“我们这次做的工作，核心在于给间隙电子‘验明正身’——它既不是纯粹的‘隐士’，也不是完全的‘游侠’，而是兼而有之。正是这种‘双重身份’让它成为了驱动超导的关键力量。”刘召介绍。该研究不仅揭示了间隙电子近自由电子阴离子二相性与超导性的内在关联，阐明了间隙阴离子在电声耦合中的关键角色，更为整个电子化合物超导领域开辟了一条全新的设计思路。未来，通过调控晶格腔体间隙环境、元素组成和有效势场分布，科研人员有望像“调音师”一样精细地优化间隙电子的近自由电子特征及其与晶格振动之间的耦合，从而探索更多具有优异超导性能的新型电子化合物材料。在不久的未来，更高转变温度的超导电子化合物，或许就藏在这些微小的晶格夹缝之中。
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