【电图片】铁电远亲是超导邻居

现在的学生到了初中，预计老师会给他们科普“什么是超导性”。常见的物理修辞学是：(1)满足两个特性的是“超导”；(2)半磁性或小调效果。没有学过物理学或者普通人的读者，可能八年来很难真正和超导打交道。此时，他们心中的超导性退化为零电阻，不一定导电性能很好地解释极限和零电阻的区别。至于那个迈斯纳效应是否存在，慢慢被遗忘了。

物理学家不高兴的是，这种问题怎么能被遗忘。迈斯纳效应是超导的首要任务。就是这样。

在这种大势下，超导性和绝缘体的关系就像皓月星河，不会出现在我们的日常科研生活中。过去的物理学知识积累告诉我们，超导体都是导电性能好的金属和合金，直到高温超导出现，才会让我们“如梦般清醒”。铜基超导体的母体是反铁磁性Mott绝缘体，掺入空穴油子后，无阻力一落千丈。(阿尔伯特爱因斯坦，Northern Exposure(美国电视剧)，《电力名言》)氧化铜的温度-在由载流子组成的坐标平面上，这个0电阻区域显示了dome的形状，成为了超导电性穹顶。这个超导圆顶果然与天空的皓月星河有着浪漫的关系。虽然那个超导穹顶一直是低蒙古包，几乎没有高耸入云的天空。

结果，量子材料人发现，超导性可以从金属到半导体、绝缘体、块到界面、二维材料，在“任何”材料中诞生。因此，如果量子材料人在完全不与超导性接触的领域冷静地揭示新的超导现象，那就是今天的常态。经常让包括编辑在内的很多物理学家感到恐慌和惊慌，但这是今天的正常事情。(大卫亚设)。

图1。这是在半铁电QCP附近出现超导圆顶的铁电超导的相图。

例如，编辑从来没有想过没有自我、极度绝缘的铁电体真的能做超导，但偶尔也会在领域内的学术讨论中开这样的玩笑。但是今天，仔细品味铁电物理学和超导之间遥远的恒星腔和珍惜的因素，是如图1所示的味道。在铁电体中制造超导性，抽丝剥茧一次也无妨。

(1)要素之一：载体。因为朝着0电阻前进，所以要在铁电体中混合载流子，使载流子达到一定浓度，以便形成宏观玻色子凝聚所需的足够Cooper对。但是这种兴奋剂不能过分，可以避免完全屏蔽铁电极化，防止铁电对称打破基本特征。从这个意义上说，这是物理学中经常面临的“无奈”。这一特征在SrTiO(STO)中最为明显。用Nb离子掺杂引入载流子，掺杂量约为0.05% ~ 0.5%，属于微量水平。这时，实验确实观察到了超导性，同时保持了微区的极化涨落。

(2)因素2:至少根据BCS理论，实现超导的基本因素是合适的声子模块的存在，这种声子模型必须能够将一对电子捆绑在一起，形成自旋单一状态的Cooper对。从BCS理论的角度来看，这种声子模具最好是纵向光学模式LO，这样看起来的声子模具越纯粹越单一越好。遗憾的是，铁电极化所需的声子模具的软化必须是横向光学模式(TO)。所以熟悉BCS的人也懒得把铁电子声音和Cooper的声子联系起来。TO模型一定不能牵连到一对电子，但至少强度一般。

(3)量子临界点QCP:只要这个QCP与电-声子物理相关联，就是高温超导发现后形成的固定连接。包括铜器和铁基超导体，甚至拓扑超导体，只要超导相上存在QCP(如CDW、伪能隙、异常金属、相关费米液体状态诱发的QCP等)，在附近建造超导圆顶就不再是胡说八道了。有趣的是，铁电极化的软模式理论也是将声子模和电偶极子联系起来的理论，解释了电偶极子的宏观凝聚力(秩序)。从这个意义上说，物理学家早就把铁电物理学和超导性分为天涯的两端，似乎有点理想化和高尚的风度。(威廉莎士比亚、《哈姆雷特》、《科学》)这种物理学家主要是指李兴这个学艺不精、保守顽固的普通人。伟大的上帝安德森不是这样的。他是超导物理学的执著者，也是铁电软模制机制的提案者。

图2。BaTiO的晶格动力学和晶体结构与载体(电子)浓度的依赖性。(a) 3个区域-中心极光学光子。(b)-依赖型声子谱，在~ 0.10发生软化。铁电相变是临界点。t是四方相，C是立方相。(三)电-声子耦合系数与的关系。(d)临界超导温度与的关系。显然~ 0.10处是QCP，可能会出现超导圆顶。

From陈恒辉课题组，J. Ma et al，NC 12、2314 (2021)，

(4)铁电与超导互斥：这可能是一种内在的不可调和。铁电体的极化有序对应单一声子模的冻结(所谓声子模软化的终点)，最终走向寂静无声。但是，诱导库珀对形成的电-声子耦合，却是dynamic的，与铁电要求声子模冻结相排斥。这一图像很像电磁效应的互斥性。磁性实际上来源于电荷的运动，是相对论效应；而铁电性来源于静态的电偶极子，两者也不能兼容。因此，同一声子模，在某一温度以下，不能做到既服务于电-声子耦合产生库珀对、又服务于铁电长程序。当然，在已形成长程序的铁电态中实现超导电性，如果借助不同的声子模，将有理论上的可能性。这也解释了为什么超导电性主要都是在量子顺电体中观测到的原因：在这些体系中，与铁电软模相联系的电偶极子处于冻结前的高度涨落中。如果对应的声子模，是库珀对形成所需要的，则超导电性出现在物理上就顺理成章。

(5)铁电金属：安德森1960 年代提出铁电金属的概念时，也许只是基于对称性的一种拓展。但如果能够将体系推展到铁电金属态的QCP处附近，可能就是最接近超导电性形成的状态，如果此时的声子模正是激发库珀对所需要的话。

(6) STO的独特性：STO作为一个最典型的量子顺电体，也是一个好的薄膜衬底。在铁基超导研究中，沉积于STO衬底上的单层FeSe，能够展示很强的电-声子耦合和很高的超导转变温度。这一结果被物理人归结于STO衬底提供了非比寻常的声子模式，显著提升了电-声子耦合系数。熟悉BCS理论的物理人，马上就明白了其中的道理。这里还值得追加一句：STO是很强的抗磁性化合物！

编者以为，有了以上六小点，也许还有更多，量子材料人对铁电超导产生浓厚兴趣是必然的。请注意，编者在这里只是放马后炮而已，这些知识的梳理早就见诸于文献和书本中。包括量子材料领域在内的诸多知名学者也都对此话题情有独钟。在国内，致力于这一方向的团队包括西湖大学、清华大学、纽约大学 (上海)、南京大学、东南大学等机构。而国际上，参与这一方向的量子材料团队比国内要多，特别是那么多年致力于量子顺电和氧化物二维电子气物理研究的团队，都有很好的工作陆续见刊。如图2所示乃纽约大学(上海)的陈航晖教授最近的一个工作，正好展示了这一精神。

最近，斯坦福大学的理论凝聚态物理人S. Raghu教授，与斯坦福同事、过渡金属氧化物物理研究的名家Harold Y. Hwang教授及韩国首尔大学Suk Bum Chung教授合作，在《npj QM》上发表了一篇论文，致力于发展量子顺电体中的超导电性理论。

图3. Raghu课题组展示的STO中横声子模TO与电子耦合的物理示意(上部)。计算得到的电–声子耦合系数与载流子浓度的关系(下部)。

熟悉量子材料的读者应该都知道，Harold Hwang其实是一位实验学者，但他对量子顺电、STO及其异质结中的关联物理造诣精深，对此类体系中的超导物理和电-声子耦合机制有独到见解。因此，他参与进来，能够对发展这一理论做出贡献。事实上，读者如果去阅读这一文章，就能发现这一理论的发展脉络充满了实验人的智慧和见地，包括载流子浓度、声子模频谱、单一声子模的物理细节。一个理论文章，具备这种特质，也算是理论与实验物理人通力合作的创新模式。

这一理论工作的预言，直接简明：量子顺电STO中，载流子掺杂导致的超导电性，其库珀对配对乃源于正经历软化的单一横光学声子模！图3所示是他们预测的结果。看起来，横声子模TO是形成库珀对的重要物理元素，似乎越纯越好。而这一模式的冻结，正是铁电极化形成的面目。

我们都知道，结论越简明，秋水文章不染尘的程度就越高！这，迫使Ising不敢再写下去！

雷打不动的结尾：编者是外行，如若理解错了，敬请谅解。各位有兴趣，还是请前往御览原文。原文链接信息如下：

Theory of superconductivity in doped quantum paraelectrics

Yue Yu, Harold Y.
Hwang, S. Raghu & Suk Bum Chung

npj Quantum
Materials volume 7, Article number: 63 (2022)

七律·铁电亦量子

昨日庐阳量子坊，得吟铁性几风霜

矢空破缺波澜渡，能带填充贝里妆

兄弟操戈招有道？电声联耦法成章

谁言极化孤寒久，一幕书情是未央

备注：

(1)编者Ising，任职南京大学物理学院，兼职《npj Quantum Materials》编辑。

(2)小文标题“铁电远亲就是超导近邻”夸张表达了铁电性与超导电性虽远万里，却依旧亲近。

(3)文底图片乃拍摄于合肥翡翠湖，彰显距离与印象(20200920)。小词原写于基金委-中科院量子物质与应用战略研讨会期间(20200920)。

(4)封面图片展示了FeSe – SrTiO界面处的铁电声子模，来自南京大学王强华课题组，。

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

来源：量子材料Quantum Materials

编辑：乐子超人