作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 信用:杨等
斯坦福大学的研究人员最近对含铁超导体的向列转变进行了深入研究
他们发表在《自然物理学》上的论文展示了这些跃迁的新成像数据，这些数据是用他们发明的显微镜收集的，被称为扫描量子低温原子显微镜
“几年前，我们发明了一种新型扫描探针显微镜，”本杰明·L
领导这项研究的研究员列夫告诉《物理》
（同organic）有机
“我们可以把它想象成一个普通的光学显微镜，但不是把镜头聚焦在某个样本载玻片上，而是聚焦在悬浮在样本附近的原子量子气体上
" 在列夫和他的同事发明的新显微镜中，利用磁场，原子从“原子芯片”捕获装置中悬浮出来，直到它们离样本载玻片仅一微米
这些原子可以将样品发出的磁场转换成显微镜镜头收集的光
因此，SQCRAMscope可以用来对磁场成像
“我们使用的原子是超冷的，处于量子态:它们的温度接近绝对零度，是已知宇宙中最冷的气体之一，”列夫说
“因此，它们是最好的微米级低频磁场传感器
原子可以在物质表面扫描，让我们记录下附近磁场的二维图像
" 通过计算显微镜中原子和材料表面之间的距离，研究人员可以回放磁场源的图像
例如，磁场源可以是移动的电子或材料内部的一般磁化
在使用一种被称为“低温恒温器”的工具对这些源进行冷却的同时，对它们进行成像，最终可以揭示出发生在不同相变阶段的新的物理现象
因此，由列夫和他的同事开发的显微镜可以作为一种全新的量子传感器，用于对各种材料发出的磁场进行成像，这有可能带来新的令人着迷的发现
“一旦我们证明了SQCRAMscope的工作原理，我们就开始寻找它的最佳科学用途，”列夫解释道
铁基(pnictide)超导体似乎是理想的候选者，因为它们在可接近的温度下显示出微米级的有趣的电子传输行为
" 含铁超导体有许多不同寻常而有趣的特性
直到今天，物理学家还不确定高临界温度(高温)超导性是如何工作的，比如在这些材料中观察到的超导性
铁基超导体在2008年左右首次被发现
有趣的是，研究表明它们表现出一些类似铜氧化物超导体的行为
信用:杨等
列夫说:“这些‘非常规’超导体(与低温下的铝等传统超导体相反)存在于80年代中期发现的铜酸盐材料中，这是出了名的。”
“它们超导的机理仍然是个谜
在我们领域工作的研究人员希望阐明这一机制将为各种技术提供坚固的室温和环境压力超导体
" curprate和铁基超导体之间的一个关键相似之处是，这两种材料都呈现出不同寻常的物质电子相，在超导性的较暖的一面
在这些物质相中，最著名的两种是“奇异金属”和“电子向列”相
电子向列相是量子液晶的一个例子，类似于液晶显示器中的经典液晶
“这些经典晶体是线虫，这意味着棒状分子都沿着一个方向排列，破坏了材料的旋转对称性，”列夫说
换句话说，分子选择一个首选的方向
90年代的凝聚态理论家开始思考电子如何做同样的事情
不是说电子不是点状的(就我们目前所知)，而是在临界转变温度以下，它们会决定优先流动(即
e
传导或传输),再次破坏旋转对称性；这将表现为材料电阻率的各向异性
" 虽然在铁基超导体中一直观察到电子迁移现象，但研究人员仍然不确定它们出现的原因，以及这种独特的物质相与低温超导相的相关性
理论还没有最终确定这一阶段是否会妨碍、增强或在确定材料超导相的温度系数中起很小作用
Pnictides可能是研究电子线学的理想材料，因为其中的电子也促使它们的晶格结构自发变形
事实上，过去的研究已经发现，随着这些材料的电阻率变得各向异性，它们的晶格从正方形扭曲成平行四边形(即
e
，从四方到正交)
这种转变有两个主要后果
首先，得到的结构畴具有指向正交方向的电阻率各向异性
其次，晶格畸变使反射光的偏振旋转，这一事实允许人们使用光学显微镜观察这些区域
“不幸的是，第一个结果使运输测量变得复杂，”列夫解释说
“不能仅仅用欧姆表测量电阻率各向异性，因为在翻转畴结构上信号平均为零
那是我们进来的地方
我们通过使用局部探针，通过检测电子投射的磁场来观察电子流动的方向，从而逐个域地对局部各向异性进行成像，从而避免了这种平均化问题
" Lev和他的同事第一个成功地对铁超导体的局部电阻率各向异性成像
他们成功的原因之一是，他们使用的探针可以在高温(~130 K)下工作，例如发生这种独特转变的温度
图解释了研究人员开发的显微镜是如何工作的
信用:杨等
列夫说:“标准探头，如扫描鱿鱼磁测法，不能在这些温度下以高分辨率对样品成像，因为设备本身会变得太热，以高灵敏度停止工作。”
“相比之下，我们的探针只是一种原子气体，不会从样品中吸收任何热量
此外，因为原子对大多数波长的光是透明的，所以我们能够在进行磁测扫描的同时，将光照射到表面上来成像这些畴结构
" 通过对磁畴结构成像并同时捕捉磁测扫描，研究人员能够确定他们在材料中扫描的确切位置，并确定铁超导体中晶格结构的偏移是否确实发生在与它们的电子线虫性相同的临界温度下
使用这种双探头系统，列夫和他的同事可以证实他们的观察，这在使用其他探测设备时从未实现过
“我们的设备的局部成像能力使我们能够测量更清晰的电子向列转变，并看到它发生在与结构转变相同的温度下，”列夫说
“一般的研究团体经常问，这些转变是否确实在相同的温度下发生，我们发现它们确实发生了，至少在微米到几十微米的长度范围内
" 列夫和他的同事设计的新显微镜使用了一种玻色-爱因斯坦凝聚体，这种凝聚体的灵敏度不依赖于被分析样品的温度
除了双探头功能，这种显微镜还能以非侵入性的方式在从室温到低温的任何温度下收集高度精确的测量数据
列夫和他的同事最近进行的研究有许多重要的意义
最值得注意的是，它第一次展示了研究人员研究物理现象的量子显微镜的潜力
使用SQCRAMscope，研究人员能够收集到铁超导体向列相转变的第一批局部图像
这些图像提供了关于这些转变如何以及何时发生的新的有价值的见解
在接下来的研究中，研究人员计划使用他们的量子传感器来进一步研究线虫性，以及探索其他复杂量子材料中的物理现象
“我们已经整理了一长串令人兴奋的材料来研究，现在SQCRAMscope已经完全运行了，”Lev说
这些要么表现出拓扑保护的电子传输，要么是强相关的(即
e
，电子相互作用并以复杂的舞蹈形式相互运动，其结果是至少它们的某些物理方面仍然是个谜)
"
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