黃耀波? 何建華

中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院

圖1 上海光源（圖片來源于百度）

凝聚態(tài)物理學(xué)是當(dāng)今物理學(xué)最大的分支學(xué)科，也是上海光源用戶開展的眾多研究領(lǐng)域中十分重要的一個(gè)。借助于強(qiáng)大的X射線同步輻射的光電子能譜、衍射、成像、吸收譜等實(shí)驗(yàn)方法，上海光源用戶在拓?fù)洳牧?、高溫超?dǎo)、過渡金屬氧化物、熱電材料、玻璃態(tài)物質(zhì)、磁性材料等多個(gè)方向開展了持續(xù)深入的探索，取得了一系列具有國(guó)際影響力的重要突破，為我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和保持在個(gè)別領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)起到了重要的推動(dòng)作用。本文挑選了具有代表性的成果來展示SSRF在凝聚態(tài)物理中的重要應(yīng)用。

近年來，拓?fù)洳牧吓畈l(fā)展，人們?cè)诠腆w材料中陸續(xù)尋找甚至設(shè)計(jì)出新奇的準(zhǔn)粒子，成為凝聚態(tài)物理新興前沿領(lǐng)域之一。針對(duì)凝聚態(tài)物理中的奇異物性研究，上海光源聯(lián)合中科院物理所、中科院大連化物所從2010 年開始建設(shè)“超高分辨寬能段光電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”(簡(jiǎn)稱“夢(mèng)之線”，位于BL09U)。其具有世界先進(jìn)水平的能量分辨率和超寬的能量覆蓋。來自中國(guó)科學(xué)院物理所、中國(guó)人民大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、武漢大學(xué)等用戶在拓?fù)洳牧想娮咏Y(jié)構(gòu)研究中取得了一系列重大突破，包括“實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子”、“三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子”、“非傳統(tǒng)手性費(fèi)米子”等，掀起了發(fā)現(xiàn)新型費(fèi)米子的熱潮。

1） 宇宙中費(fèi)米子和“固體宇宙”中準(zhǔn)粒子

宇宙中的基本粒子可以分為玻色子和費(fèi)米子，其中費(fèi)米子共有三種，分別是(以三位科學(xué)家的名字命名)狄拉克(Dirac)費(fèi)米子、外爾(Weyl)費(fèi)米子和馬約拉納(Majorana)費(fèi)米子。狄拉克費(fèi)米子包括我們熟悉的電子、質(zhì)子、中子等，而神秘的外爾費(fèi)米子和馬約拉納費(fèi)米子一直還沒有在高能物理的實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到。在20 世紀(jì)50 年代，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)固體中的電子受到晶格和電子-電子相互作用而產(chǎn)生的擾動(dòng)或激發(fā)的效果，集體表現(xiàn)得具有粒子性，被稱為“準(zhǔn)粒子”，它們是基本粒子在固體中的“影子”。2004發(fā)現(xiàn)的石墨烯費(fèi)米面附近的線性能帶被證明具有“無質(zhì)量”的狄拉克費(fèi)米子類似的行為，開啟了人們?cè)诠腆w材料中尋找新型費(fèi)米子的新世界的大門。

2015 年初，中國(guó)科學(xué)院物理所的理論研究團(tuán)隊(duì)翁紅明、方忠、戴希研究員小組預(yù)言了具有外爾半金屬態(tài)的一類化合物砷化鉭(TaAs)，在意識(shí)到這類材料的重要性之后，物理所的陳根富研究員很快制備出了高質(zhì)量的單晶，隨即丁洪、錢天研究員小組利用“夢(mèng)之線”的ARPES，成功在該晶體的電子結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到了外爾費(fèi)米子態(tài)的特征：表面態(tài)上的費(fèi)米弧 (如圖2 所示)，外爾費(fèi)米子終于在固體材料中首次展現(xiàn)在科學(xué)家面前，中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)也成為最早發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子態(tài)的研究組之一。

圖2? 利用上海光源“夢(mèng)之線”首次在固體材料砷化鉭中觀察到外爾費(fèi)米弧表面態(tài)

外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)入選了美國(guó)物理學(xué)(APS)2015 年物理學(xué)“標(biāo)志性進(jìn)展”、英國(guó)物理學(xué)會(huì)《物理世界》“2015 年十大突破”、“2015 年中國(guó)科技十大進(jìn)展新聞”和“2015 年十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。在2018 年，該成果也被美國(guó)物理學(xué)會(huì)紀(jì)念《物理評(píng)論》系列期刊創(chuàng)刊125 周年精選論文集，成為唯一入選的來自中國(guó)本土的工作。

2）“固體宇宙”中新型費(fèi)米子——三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子

受外爾費(fèi)米子發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)，物理學(xué)家們繼續(xù)嘗試固體材料中探索新費(fèi)米子。2016 年中科院物理所理論團(tuán)隊(duì)預(yù)言了一種新型費(fèi)米子——“三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子”態(tài)，它是不同于狄拉克費(fèi)米子和外爾費(fèi)米子的新型費(fèi)米子。這種新型費(fèi)米子態(tài)并不是宇宙中可能存在，因?yàn)榫w材料里的電子處在由原子實(shí)構(gòu)成的晶格中，類似于一個(gè)具有周期性的“固體宇宙”，然而實(shí)際宇宙中的基本粒子并不受這樣的限制，由于二者對(duì)稱性的不同，理論學(xué)家推算在“固體宇宙”中會(huì)存在真實(shí)宇宙里沒有的新費(fèi)米子態(tài)。2017 年中科院物理所的丁洪、錢天研究員小組與石友國(guó)研究員小組、翁紅明、方忠研究員小組合作，借助于“夢(mèng)之線”和瑞士光源，成功解析出具有該類晶體結(jié)構(gòu)的磷化鉬單晶的電子結(jié)構(gòu)，并觀測(cè)到了三重簡(jiǎn)并點(diǎn)（如圖3所示），首次證實(shí)了這種奇異的“三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子”態(tài)。該研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)對(duì)類似結(jié)構(gòu)的碳化鎢進(jìn)行更細(xì)致的能帶測(cè)繪，除了觀察到體態(tài)中的三重簡(jiǎn)并點(diǎn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了費(fèi)米弧表面態(tài)，完整地確定了該家族三重簡(jiǎn)并半金屬態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)。

圖3 固體材料中實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的三種費(fèi)米子：四重簡(jiǎn)并的狄拉克費(fèi)米子（左）、兩重簡(jiǎn)并的外爾費(fèi)米子（中）、三重簡(jiǎn)并的新型費(fèi)米子（右）（圖片引自http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201706/t20170621_4816358.html）

超導(dǎo)電性是某些物質(zhì)在低溫下表現(xiàn)出電阻完全消失的一種有趣物理現(xiàn)象，也是凝聚態(tài)物理研究的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)。從微觀上說，超導(dǎo)電性是由材料內(nèi)的晶格、電荷、軌道和自旋的狀態(tài)及其相互作用所決定的，也可以通過改變它們的外部條件，比如壓力、電磁場(chǎng)等，來觀測(cè)超導(dǎo)性質(zhì)的相應(yīng)變化，以及研究超導(dǎo)的產(chǎn)生機(jī)理等。上海光源光BL15U1 光束線搭建了高壓微束XRD，專門研究高壓條件下物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的演變。將被研究的樣品放置在一對(duì)金剛石砧面之間(如圖4 所示)，再將這對(duì)金剛石放置于X射線光路上。金剛石由于極其堅(jiān)硬，可以承受住極高的壓力并傳遞給樣品，就可以根據(jù)穿透過樣品的X光的衍射情況，了解它們的晶格形狀和尺寸的變化。利用此裝置，來自于中科院物理所、吉林大學(xué)等單位的用戶開展了鐵基超導(dǎo)、高熵合金超導(dǎo)等方面的研究，取得了多項(xiàng)突破性的成果。

圖4? 高壓XRD研究中使用的金剛石對(duì)頂砧（圖片引自https://www.nature.com/articles/d41586-017-08237-x）

中國(guó)科學(xué)院物理所趙忠賢院士和孫力玲研究員小組與美國(guó)卡內(nèi)基研究院的毛和光院士合作，系統(tǒng)研究了鉀鐵硒在高壓條件下的輸運(yùn)性能和磁性能。該研究組與BL15U1線站合作，利用其高壓微束XRD，獲得了晶體結(jié)構(gòu)與壓力關(guān)系的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)（如圖5所示）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表明壓力誘發(fā)的超導(dǎo)再現(xiàn)現(xiàn)象是在同結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的；后續(xù)研究又證實(shí)了上述超導(dǎo)電性的變化與鐵元素的空位序密切相關(guān)。首次發(fā)現(xiàn)了這種超導(dǎo)在壓力下消失隨后又重現(xiàn)的現(xiàn)象，不僅為非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)制提供了寶貴的信息，也為新型超導(dǎo)體探索提供了重要的啟發(fā)。

圖5 ?高壓實(shí)驗(yàn)首次在鐵基硫族化合物中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的再現(xiàn)現(xiàn)象。圖中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著壓力的大小，縱坐標(biāo)代表超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的高低。標(biāo)識(shí)為SC-I 的淺綠色區(qū)域代表常亞附近出現(xiàn)的超導(dǎo)，隨著壓力的升高，材料出乎意料地進(jìn)入一個(gè)從未被發(fā)現(xiàn)過的淺紅色SC-II 超導(dǎo)區(qū)域，而且SC-II的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比SC-I 的還高

原位高壓衍射的另一個(gè)成功應(yīng)用的范例是探索“高熵合金”的超導(dǎo)電性。中國(guó)科學(xué)院物理所的孫力玲研究員組與普林斯頓大學(xué)Robert Cava教授研究組合作，對(duì)具有超導(dǎo)電性的高熵合金開展了高壓實(shí)驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)在1 個(gè)大氣壓到高達(dá)190 萬大氣壓的如此大范圍內(nèi)，材料的超導(dǎo)電性都穩(wěn)定地存在著；同時(shí)在近100 大氣壓下，雖然體積被壓縮了近30 %，但是始終沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)相變。該發(fā)現(xiàn)為“高熵合金”中的超導(dǎo)機(jī)制提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為超高壓等極端條件下服役的超導(dǎo)材料的潛在需求提供了一種候選合金。

過渡金屬氧化物是一大類包含過渡金屬和氧元素的材料。由于其內(nèi)部存在的電荷、自旋、軌道、晶格等多重自由度以及他們之間的復(fù)雜相互作用，而表現(xiàn)出極其豐富的物理現(xiàn)象，例如鐵電性、鐵磁性、超導(dǎo)體、熱電效應(yīng)、半導(dǎo)體、光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、磁致伸縮、磁彈性、磁電耦合。由于其獨(dú)特而豐富的特性，過渡金屬氧化物不僅是凝聚態(tài)物理、材料、化學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也被廣泛地應(yīng)用于太陽能電池、交通、磁存儲(chǔ)、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。研究他們對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和新材料探索具有極其重要的意義。

上海光源衍射線站BL14B1 集成了同步輻射X射線衍射、反射、散射等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，配備了原位氧化物薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)，為晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)變的研究提供了高精度的探測(cè)能力。來自南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)和新加坡國(guó)立大學(xué)等單位的研究小組利用此平臺(tái)，在過渡金屬氧化物中極其重要的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物、巨磁阻氧化物等方向開展了系統(tǒng)地研究，取得了若干重要成果。

南京大學(xué)吳小山教授研究組借助上海光源BL14B1 的高分辨X射線衍射、反射等技術(shù)，精確表征了釕酸鍶/鈦酸鍶超晶格的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部應(yīng)力分布。證明僅僅1 個(gè)單胞厚度的釕酸鍶就已經(jīng)具有了鐵磁性，突破了之前文獻(xiàn)報(bào)道的4 個(gè)單胞厚度以上才有鐵磁性的極限，為制備極薄的電極提供了可行的技術(shù)路徑。

復(fù)旦大學(xué)的沈健教授研究組利用上海光源BL14B1，研究了典型的巨磁阻氧化物?(LPCMO)薄膜中的化學(xué)摻雜有序性對(duì)物性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，Pr 元素有序排列可以提高體系的鐵磁性，使其中的金屬-絕緣體相變溫度大幅提高近100 K，該工作為類似電子器件的性能提升帶來了重要的啟發(fā)。

除了在上述各方向的應(yīng)用以外，上海光源還為用戶提供了X射線成像、X射線吸收譜、X射線光電子顯微鏡等實(shí)驗(yàn)手段，開展在熱電材料、玻璃態(tài)物質(zhì)、磁性材料、氣體分子的康普頓輪廓等方面的深入研究，取得了豐碩的成果。其中，用戶在熱電材料和玻璃化轉(zhuǎn)變方面的應(yīng)用研究對(duì)于綠色能源材料的開發(fā)和非晶態(tài)物理機(jī)制理解起到了有意義推動(dòng)。

熱電材料可以利用塞貝克效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)實(shí)現(xiàn)廢熱發(fā)電和電能制冷，是一種潛在的綠色能源材料。當(dāng)前熱電材料應(yīng)用的主要瓶頸是其品質(zhì)因子很難突破。最近的研究發(fā)現(xiàn)，硒化錫單晶在高溫時(shí)品質(zhì)因子達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的2.6。由于錫和硒元素在地球上含量豐富，其化合物的合成也非常簡(jiǎn)便，因而硒化錫被預(yù)期有非常廣闊的應(yīng)用前景，理解該材料中高品質(zhì)因子的機(jī)理具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

浙江大學(xué)物理學(xué)系鄭毅研究員小組和中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所沈大偉研究員小組合作，利用極低溫量子輸運(yùn)測(cè)量和上海光源“夢(mèng)之線”的ARPES首次揭示了硒化錫的奇異輸運(yùn)性質(zhì)，并成功利用“缺陷工程”實(shí)現(xiàn)了對(duì)該材料電子結(jié)構(gòu)和熱電性能的有效調(diào)控，為進(jìn)一步利用能帶工程合成和改進(jìn)高效能熱電材料提供了必要依據(jù)。

同步輻射X射線計(jì)算機(jī)斷層成像(CT)能夠高效、無損地獲得玻璃非晶態(tài)的三維結(jié)構(gòu)。在過去幾年中，上海交通大學(xué)王宇杰教授利用上海光源X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光束線(BL13W1)的同步輻射高速CT 成像技術(shù)，對(duì)三維顆粒堆積體系的玻璃化轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)和塑性等開展了系統(tǒng)研究，解決了長(zhǎng)期以來人們一直在尋找的玻璃化轉(zhuǎn)變中的有序玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，利用顆粒堆積的實(shí)空間成像實(shí)驗(yàn)（如圖6所示），他們也解決了長(zhǎng)期困惑了金屬玻璃研究的一個(gè)非整數(shù)冪律的現(xiàn)象，揭示了這一非整數(shù)冪律的普適性更可能來源于阻塞相變的臨界現(xiàn)象。此外，該究組還開展了對(duì)非晶體系的玻璃化轉(zhuǎn)變中的塑性的研究，獲得了三維顆粒體系在剪切過程中的結(jié)構(gòu)演化等微觀動(dòng)力學(xué)過程，為玻璃非晶態(tài)物理理論積累了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖6? 顆粒體系中四面體結(jié)構(gòu)形成的團(tuán)簇，從（a）到（d）體系堆積面積逐漸變， ttps://www.nature.com/articles/ncomms9409

SSRF 開放十年來，用戶群體穩(wěn)步壯大，產(chǎn)出也碩果累累，用戶發(fā)表的期刊論文約5000 篇，包括Science、Nature、Cell 三種頂級(jí)國(guó)際刊物的論文近100 篇，SCI-1 區(qū)論文約1500篇。SSRF在包括凝聚態(tài)物理、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域根本性地改變了我國(guó)科學(xué)家主要依賴國(guó)外同步輻射裝置開展前沿領(lǐng)域研究的局面，支撐著用戶在生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)催化、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)考古、文物保護(hù)等諸領(lǐng)域開展了全方位、有特色的研究工作。目前，上海光源(二期)線站工程已經(jīng)開始實(shí)施，新規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)的16 條光束線和配套的輔助實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃在2022 年完成。其投入使用將全面拓展光源的研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ苿?dòng)我國(guó)基于同步輻射的科學(xué)研究實(shí)現(xiàn)跨越式提升，為國(guó)內(nèi)外用戶的多學(xué)科研究起到更加積極地推動(dòng)作用。