显微镜集光器二十七的超导小时代：盲人是盲目

大家好，这里是老上光显微镜知识课堂，在这里你可以学到所有关于显微镜知识，好的，请看下面文章： 根据伟大的般若涅磐经文，古印度有一位名叫镜子的国王。为了说服人们皈依佛教，举行了一次盲目的大象接触活动。十个盲人被要求触摸大象的一部分并告诉他们它的样子。答案是：它的触角像芦苇的根，它触耳的话像簸箕，它的触头像石头，它触鼻的话像杵子，它的脚像臼，它的脊椎触角。g字如床，肚子摸字如瓮，尾巴摸字如绳。大象摸不同部位的形状不同。一只真正的大象长得什么样子，一个人单独说话显然是不可靠的。盲人，可以概括大象的原型（图1）。
    
     在大象面前，高温超导远比人们可以理解的复杂和难以理解，科学家们只能做，只能充当盲人，用各种实验工具来测量大象，然后合成结果以供参考。奇怪的是，高温超导大象本身是盲目的，而且不会让科学家摸到它的任何部位，让它们失明18次。幸运的是，在高温超导的疯狂接触中，科学测量技术的准确性和能力一直在提高。随着凝聚态物质物理测量技术的发展和创新，凝聚态物质物理测量技术已经广泛应用于许多研究领域，从而产生了许多新的物理现象。现象。虽然高温超导没有彻底地接触大象，但是几十个摸象盲人已经成为凝聚态物理学的重要武器。
    
     在这一部分中，我们不介绍超导研究的历史和具体的物理问题，首先要了解一些魔幻触摸盲，看看它们各自的魔力，特别是在超导研究中的作用。研究超导材料的超导方法，进而促进超导物理学的深入理解。
    
     虽然盲人没有可见的视野，但他们仍然可以在不可见的范围内或者借用其他工具产生强大的透视功能。这是各种晶体衍射技术。在第五节中，简要介绍了X射线衍射、电子衍射和中子衍射的基本原理。一般来说，由于原子尺度很小，原子在晶体中的分布具有一定的规律性。L，原子间距在纳米尺度上更小。为了穿透原子的分布结构，我们必须找到一个与原子尺度相对应的标尺。量子力学告诉我们，微观粒子也有波动，光子是波，电子是波，不同之处在于光子的静态质量是零，电子的静态质量是m。ass不是零，所以真空中的光子速度是最快的。微观粒子的波长相当于一个非常的标尺。波长范围覆盖原子尺度，包括X射线（光子）、电子和中子，也是常用的衍射介质。汤姆斯散射X光。原子数越多，电子越多，X射线散射强度越强。X射线衍射对原子序数较大的元素极为敏感，在高通量同步辐射源上进行高精度的X射线衍射，可以分辨出10～12M以下的晶体结构参数及其变化，电子能量低于X。-射线，它也强烈散射原子中的电子，但穿透能力是有限的。只有非常薄的材料，如薄膜样品可以衍射。通过衍射斑点分析可以给出晶体结构的对称性，中子衍射更强，因为中子不带电荷，所以没有电荷相互作用，但是如果中子到达原子核而不带电，原子核是强整的。由于中子的磁矩作用，使得原子核的分布，即材料的晶体结构，可以非常地给出，而且中子由于受到电子自旋的强散射。如果原子的磁矩不为零（主要是由于电子自旋的不均匀排列），那么中子也会随着原子的磁矩而散射，从而获得材料中磁矩排列的磁结构。技术可以使材料的内部微观结构如原子、磁矩、无逃逸，这种透视技术也是理解材料的步。
    
     为了理解材料内部原子分布的结构，我们不仅需要知道它们的排列顺序，而且需要知道它们属于什么元素，以及实际的比例是多少，也就是说，为了区分材料的味道。e材料的组成，因为由不同元素或材料的不同组分形成的衍射图案是不同的，但是如果需要关于元素组成的更准确的信息，则需要化学组成分析技术来帮助。D常被用于分析元素的化学组成。基本原理是相似的：找到各种元素的身份证——特征光谱，并测量其总体比例，从而给出元素含量。核外的电子。在外部干扰下，它会产生一个比能谱。如果用高能电子击穿内部电子，外部电子返回来填充过程，并发射出一组固定能量的特征X射线。一般来说，EDS和WDS可以直接在固体样品表面进行测试，EDS精度大于2%，WDS精度约为0.5%。进行溶液的发光光谱测定。其准确度约为1%，特征光谱对一些轻元素不敏感，特别是对氧含量的测定相对困难，在高温氧化铜超导体中，氧含量对超导体的掺杂浓度起着重要作用。氧含量的测定很重要。常用的测定氧含量的方法有热重法和碘量法。因为氧化铜材料的氧含量可以通过加热和真空退火来调节，如果将其置于非常灵敏的（纳米克）尺度上。对于热处理，可以地测量质量变化，推断氧含量的变化。碘滴定法是一种常用的化学成分分析方法，即碘与氧在材料中的化学反应，只要测量加碘量，就可以了。推断材料中的氧含量，有许多组分分析技术。
    
     为了观察微小的物质，如细胞、细菌、病毒、花粉等，我们通常可以使用光学显微镜来实现。由于可见光波长(390-780nm)的限制，光学显微镜的更大放大倍数约为2000倍。为了继续放大，我们需要使用电子显微镜。电子显微镜主要分为两类：扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）。讲话者。通过以高分辨率(纳米级)聚焦和扫描电子，可以实现几十万倍的放大。后者需要通过电子束穿透样品，类似于X射线摄影，使用电子对材料拍照，通过反转来获得。材料的内部原子结构，精度可达0.24nm，电子显微镜可直接观察材料的形貌、微观结构、晶粒取向、晶界分布等。EDS和WDS等组件分析技术通常与SEM结合使用。结构分析和成分分析可以在同一台仪器上进行（图2）。随着分析测试需求的增加，电子显微镜的发展也非常迅速。生物大分子的高分辨率成像。洛伦兹电子显微术可以清楚地观察到材料表面的磁性和物理过程。球面像差校正电子显微镜的分辨率大大提高到低于0.08纳米。这些的微型武器是第三种了解材料微观特性的工具，只有眼睛。
    
     图2扫描电子显微镜和透射电子显微镜的结构和测量（来自Barrett-group.mcgill.ca和Wikipedia）
    
     为了证明材料是超导体，首先必须给出零电阻效应和迈斯纳效应，即必须测量电阻率和磁化率作为温度的函数，必须在临界温度附近将电阻率降低到0，以及通过完全抗磁，体积磁化率必须变为-1，这意味着电阻测量和磁化测量是超导研究中最基本的方法。此外，由于超导相变过程常常与热变化相对应，因此热测量在超导研究中也占有重要地位。材料中电子的传输测量，简称为电子搬运测量。严格地说，比热测量不属于传输测量，它只测量材料对外部温度变化的响应，因为它对应于准温度。粒子元件在材料内部的激发过程，即比热测量可以给出超导材料的相变信息（如超导相变附近的比热跃变）和能隙对称性（准粒子激发）。模式）还可以从热传导率的测量中获得类似的结果。通过分析热流在材料中的传输过程，可以区分电子、原子和磁矩在材料中的贡献，并测量超导前后电子态的变化，从而获得能隙信息。磁化率和电阻率的传输测量不仅可以确定超导体的临界温度，而且可以给出超导体的临界磁场、临界电流密度和各种磁通动力学参数。通过测量由在磁场中传输的电流产生的横向电压来校准材料中载流子的类型和浓度。另外，微波电导测量、电阻噪声测量、交流电感和阻抗测量都是传输测量的手段。上述第22节提到的能斯应和伊迪诺森效应也是热输运测量的方法之一。输运测量多种多样，是超导研究中最基本的方法，体现了用砖头做大事的精神（图3）。
    
     图3.磁化、霍尔、电阻和导热系数传输测量的原理(来自www.nde-ed.org和复旦大学的李十堰教授)
    
     这些都是超导研究的基本手段，包括结构、组成、输运等。然而，为了进一步了解材料中电子系统的微观物理过程，我们需要使用各种光谱手段，即分析能量。光电子能谱（PES）是一种测量材料中电子能量和动量的方法。它的原理来自于光子束撞击材料表面的光电效应。如果能量足够大，材料中的电子可以被激发形成光电子，因为光电子也携带着材料中电子的能量和动量信息，所以可以通过测量能量和动量分布来获取材料中的电子信息。动量信息可以通过电子飞行角度（角度分辨率）来测量，能量信息可以通过电子能谱仪（能量分辨率）来测量。d Fermi表面位于材料内部，可以直接测量超导间隙在动量空间中的分布。分辨率不断提高，从最初的能量分辨率只有50meV提高到1meV以下。光电子能谱技术从早期的能量分辨率、角度分辨率到现在与自旋分辨率和时间分辨率更加集成。还有其他更强大的功能，检测效率从点到线，从线到面不断提高，测量环境温度从大约10K到小于1K。可以说光电子能谱技术是一面魔镜，在光照下制作。该材料的电子系统样机，而且还具有高分辨率（图4）。
    
     图4光电子能谱仪及其测量原理
    
     如前所述，中子不带电并具有磁矩，这意味着它们可以通过把它们推入材料中作为双探测器——测量原子核的位置和相互作用，以及测量电子自旋的位置和相互作用（原子磁矩）。测量入射材料前后中子的能量和动量变化，可以直接告诉我们原子自旋在材料中的位置（排列）和作用（相互作用），即中子散射技术。在超导研究过程中的OLE。证明了传统金属超导体中的电子-声子耦合作用在超导体的形成中起着重要作用，是BCS理论产生的重要实验依据之一。是超导体起源于antiferromagnetic Mott insulators的必要武器。了解它们的磁相互作用是高温超导体机制的重要组成部分，中子散射不仅可以覆盖从μeV到eV的大尺度能量范围，而且可以覆盖材料的动量范围。它具有非常高的能量、动量分辨率，甚至时空分辨率，测量环境可以组合，低温、高温、高压、磁场、电场和应力非常灵活和方便，是一种多方面的研究方法。材料的物理特性，使得材料的各种相互作用可以形成，并在各种外部环境的帮助下与材料一起玩耍，从它们的反馈中获得进一步的信息（图5）。
    
     测量材料的磁物理不仅可以研究中子散射的电子自旋相互作用，而且可以测量原子核本身。如果原子核能与适当的电磁波频率一起振动和共振，我们就可以知道原子核周围磁场环境的变化，这就是核磁共振技术。材料内部的结构变化，相当于核环境的变化，那么核的状态就不可避免地会产生轻微的影响。材料的微观动力学。我们知道核磁矩非常小，小于电子自旋磁矩的千分之一，所以核磁共振电磁波频率、磁场环境的均匀性都有极高的要求，也意味着核磁共振具有高分辨率。在自旋动力学中，核磁共振与中子散射的区别在于前者主要测量零能附近的自旋相互作用，而后者可以测量所有能段的自旋相互作用。与核磁共振(NMR)类似，如果原子核周围的电场梯度不为零，则可进行核四极共振(NQR)测量。核磁共振还可以与磁场、低温、高压等外界环境相结合，使颤动的原子核悄悄地告诉科学家它的处境。N，但也是固体物理研究的武器之一（图6）。
    
     原子很小，但是有没有一种方法可以直接感知原子的存在呢对！这是扫描隧道显微镜。在微小针尖上只有一个或多个原子，只要原子足够接近材料表面，材料中的电子就会通过量子隧道效应跑到针尖，从而获得电流，可以是m。通过进一步放大来测量。和材料之间的微距离或相对电压决定隧道电流的大小。如果隧道电流保持恒定，那么的高度将被测量，就像材料表面的原子被接触一样。如果高度保持不变，则将测量电流的大小。正如触觉电感感测材料内部的电子分布一样，如果位置保持不变，相对电压改变，则测量不同能量的隧道电流。是确定的，对应于材料中不同能量的电子，即扫描隧道谱。要实现上述三点并不容易，因为任何外部干扰都会引起测量噪声，所以扫描隧道谱的测量需要隔离所有的v。光刻的外部环境，需要使用压电陶瓷来控制的运动，也需要高精度地测量电流。扫描隧道显微镜可以告诉我们材料表面的原子分布和表面重构现象。表面的，甚至操纵单个原子来构建量子栅栏、量子文本、量子幻象等。扫描隧道光谱可以用来测量超导材料的间隙空间分布、杂质态和磁通束缚态。搜索、扫描隧道光谱已经达到可以来回扫描几十纳米正方形区域几天以重复这些结果(图7)的程度。以上第25节印象大师杰作中提到的大多数结果是扫描隧道光谱。S，每一个都很棒。
    
     反射光、透射波和折射波会在一束光入射到样品上时发生。这表明光与样品材料相互作用。通过测量光散射前后的频率和强度变化，还可以得到材料的内部信息，称为光谱。分子具有固定的振动模式，对于作为材料单元的原子/离子，每个结构单元内的原子群也具有固定的振动模式，后者就是我们常说的声子。将获得或失去相应的振动能量。通过比较发射光和入射光的频率/强度变化，发现在某些特定的频率上会出现一些峰，称为拉曼散射，拉曼散射可以告诉我们材料的声子模式，进一步的分析还可以得到内部结构的信息。由于光是电磁波，电子激发和磁激发也可以与它耦合产生非弹性散射，在拉曼散射谱中观察到一些特性，因此电子和磁的拉曼散射是als的。红外光谱主要用于分析反射或透射光的光谱和强度来研究材料中的电荷动力学，不同于拉曼光谱所获得的特征峰。红外光谱为连续光谱。通过分析光谱的形状和重量的变化，可以知道材料中是否存在电荷间隙，以及相关的物理参数，如电导率、迁移率、弛豫速率等。用于进行发射、反射、光谱、干涉、偏振、滤波等操作，最后通过计算机分析得到相关信息（图8）。
    
     图8拉曼光谱仪、红外光谱仪及其测量原理（从www.钕EDU和图像。幻灯片放映COM）
    
     除了使用光子、电子和中子作为检测介质外，我们还可以使用木子，它和电子属于三轻子之一，但也有电荷。由于弱相互作用中的宇称不守恒定律，缪子自然极化，极化的正电子穿透样品并在相互作用后迅速衰变为正电子。发射的正电子在空间中的分布是不均匀的，这与材料内部的磁场有关，因此，一旦材料中存在内部磁有序结构，如t.通过对不对称性的分析，可以得到磁有序体积、相变温度、磁矩、超导穿透深度、超流密度等信息。进一步分析了导电体积比，μ子散射技术包括μ子自旋的共振、旋转和弛豫，统称为μSR。ED数的产生方法木子，也是少数几种检测方法之一（图9）。
    
     最后，简要介绍了近年来发展起来的一种新的测量技术——共振非弹性X射线能谱，早期X射线源主要来自能量和流量较低的射线管，主要用于衍射（弹性散射）研究。后来，基于同步辐射装置，X射线的能量和流量增加了几个数量级，这足以进行非弹性散射研究。非弹性X射线散射（IXS）也可以用来测量电荷动力学和电荷的物理性质。近年来，基于共振技术的非弹性X射线散射（RIXS）技术得到了迅速的发展。虽然RIXS也用于测量入射和出射X射线的能量和动量分布，但是由于与材料中电子能级的共振效应，可以间接地获得电子的激发态能量。包括电荷和自旋激发，覆盖了广泛的能量。因此，RIXS技术不仅可以测量电荷动力学，还可以测量自旋动力学。可以说，RIXS技术充分结合了光谱学和中子散射等技术手段，其技术发展的主要原因还在于高温超导氧化铜材料中高能自旋激发的测量。由于中子散射信号弱，没有大量的样品很难实现中子散射，但RIXS测量可以在非常小的样品甚至薄膜中进行，经过几年的发展，RIXS技术的分辨率已经从最初的300meV发展到30meV。虽然RIXS不能与低能带中子散射相比，而且世界上现有的光谱仪仍处于单位数，但其发展趋势不容低估。前者在所有能带具有相同的分辨率，而后者可以根据入射能量来调整分辨率。这两个是互补的和互补的（图10）。
    
     一般来说，超导研究中常用的方法可以分为三类：表征、输运和光谱。表征是对材料形态、结构、组成等进行初步测量，以说明材料的基本性质。材料；传输手段是测量材料的宏观物理性质，如电、磁、热；光谱手段是利用光子、电子、中子、缪斯等探测介质与材料相互作用，从而测量材料内部。e和零件的动力学。不管是什么，它只是一种测量或理解物理性质的方法，也就是说，其中之一感觉像个盲人。要完全理解超导大象，你需要摸摸盲人的综合合作，得到一个综合的多元分析。NGLE信息，从中提取有用和准确的部分，最后得出大象的结论。
    
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