高温超导体理论模型缺一环？这次也许找到了( 三 ) 9.10知识分子TheIntellectual“哈伯

“难点在于数值计算，（计算是）一维做得好，二维及以上现在是没有办法严格做的， ” 何俊峰说。作为强关联量子材料的电子结构研究领域的专家，他解释道，在二维及以上的层面上，理论模型给不出精确解。而现实中的非常规超导材料实际上是三维的，或是准二维的层状材料，实验测定的结果无法和一维的理论计算结果比较。
因此，当实验和计算结果不符的时候，科学家无法判断到底是理论模型出了问题，还是计算过程出了问题。
而对于一维而言，维度下降导致复杂度大幅下降，运用超级计算机就可以准确算出某个微观理论模型给出的预言，这样就可以和实验直接比对，进而对理论模型是否正确进行验证。
那么，有没有可能在实验室制造出一维的铜氧化物高温超导材料，先验证一维的计算结果？
“技术难度会很高， ” 何俊峰说， “（沈志勋团队）花了好多年时间，最后把这件事做成了。”
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从二维到一维之 “降维解谜”
实验在美国SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）展开。
在一个超高真空腔体中，沈志勋团队成员们在一个钛酸锶基底上面蒸入金属的蒸汽，同时通入臭氧，使其在基底上生成一层一层的原子的金属氧化物。他们能精准地通过臭氧烘烤，控制氧化物中氧原子的数量，将掺杂的浓度控制在9%到40%之间。“就像搭乐高一样， ” 陈卓昱说。
一层氧化钡/锶、一层氧化铜、再一层氧化钡/锶，他们最终垒了15层原子，形成5个重复结构单元。

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斯坦福团队生成的超导材料Ba2-xSrxCuO3的微观格栅结构，绿球、蓝球和黑球分别代表钡/锶(Ba/Sr)、氧(O)和铜(Cu)原子。[1]
在这个结构里，由于层与层之间、链与链之间的相互作用较弱，铜氧的关系可视为一维的链状。“犹如一块蒸蛋糕，里面插了很多根针。”
能达到这一技术的团队在全球屈指可数。“之前也有人做过类似的材料，但他们没有办法掺杂和调控电荷载流子的数量。” 陈卓昱说， “有了掺杂，载流子之间的相互作用才会显现出来。”
另一方面，这个实验装置就在斯坦福大学附近SLAC的同步辐射线站上，材料合成后，无需转移出真空环境，就能直接通过超高真空管道输送到角分辨光电子能谱仪的超高真空腔里，观测其电子的能量动量结构，最大程度上减少了环境干扰。
获得材料的过程并非一帆风顺。2018到2019年，大半年的时间里，陈卓昱一直在试图合成另一种新的超导体，而在合成过程中，他发现可以合成一维的铜氧链并且获得可控的掺杂。直到2019年7月，斯坦福的团队才从合成的一维铜氧化物材料中获得真正系统的实验数据。
廉骉肯定了该研究团队在实验想法和技术上的创新。
他介绍，在强相互作用的凝聚态系统的研究中，最困难的实验问题之一就是确定相互作用参数。而不同参数总是同时作用，很难拆开来研究。
“通过人工合成，这个实验巧妙地把二维的高温超导晶体近似拆分成了一维的原子链，并且能够控制其中的电荷掺杂浓度。这就在保持原来晶体相互作用参数的基础上大大简化了模型的复杂程度。” 廉骉解释道。
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发现强特征峰
陈卓昱介绍，该实验采用的关键技术之一是 “角分辨光电子能谱”（angle-resolved photoemission spectroscopy ， ARPES）。
ARPES技术用高能光子打出材料内部电子并探测其行为，是测量电子的能量动量结构的重要手段。沈志勋是最早发展和使用这一技术研究量子材料的学者之一。他的团队培养了一批颇有建树的学者，陈卓昱属于其中最新一代。