黃耀波 何建華

中國科學院上海高等研究院

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)是我國第一台工作于中能量範圍(3.5GeV)的第三代同步輻射實驗平台。從2009 年正式開放至今，SSRF 服務了來自全國500 多家高校、科研院所、醫院和企業的兩萬多名用戶，極大地支持了我國生命科學、物理、材料、化學等學科的發展，支撐我國科學家取得了一大批高水平研究成果，成爲我國多個學科領域前沿研究和高技術發展不可或缺的實驗平台。

圖1 上海光源（圖片來源于百度）

凝聚態物理學是當今物理學最大的分支學科，也是上海光源用戶開展的衆多研究領域中十分重要的一個。借助于強大的X射線同步輻射的光電子能譜、衍射、成像、吸收譜等實驗方法，上海光源用戶在拓撲材料、高溫超導、過渡金屬氧化物、熱電材料、玻璃態物質、磁性材料等多個方向開展了持續深入的探索，取得了一系列具有國際影響力的重要突破，爲我國相關領域的發展和保持在個別領域的國際領先優勢起到了重要的推動作用。本文挑選了具有代表性的成果來展示SSRF在凝聚態物理中的重要應用。

01拓撲材料中的新奇費米子態

近年來，拓撲材料蓬勃發展，人們在固體材料中陸續尋找甚至設計出新奇的准粒子，成爲凝聚態物理新興前沿領域之一。針對凝聚態物理中的奇異物性研究，上海光源聯合中科院物理所、中科院大連化物所從2010 年開始建設“超高分辨寬能段光電子實驗系統”(簡稱“夢之線”，位于BL09U)。其具有世界先進水平的能量分辨率和超寬的能量覆蓋。來自中國科學院物理所、中國人民大學、複旦大學、武漢大學等用戶在拓撲材料電子結構研究中取得了一系列重大突破，包括“實驗發現外爾費米子”、“三重簡並費米子”、“非傳統手性費米子”等，掀起了發現新型費米子的熱潮。

1） 宇宙中費米子和“固體宇宙”中准粒子

宇宙中的基本粒子可以分爲玻色子和費米子，其中費米子共有三種，分別是(以三位科學家的名字命名)狄拉克(Dirac)費米子、外爾(Weyl)費米子和馬約拉納(Majorana)費米子。狄拉克費米子包括我們熟悉的電子、質子、中子等，而神秘的外爾費米子和馬約拉納費米子一直還沒有在高能物理的實驗中觀測到。在20 世紀50 年代，物理學家發現固體中的電子受到晶格和電子-電子相互作用而産生的擾動或激發的效果，集體表現得具有粒子性，被稱爲“准粒子”，它們是基本粒子在固體中的“影子”。2004發現的石墨烯費米面附近的線性能帶被證明具有“無質量”的狄拉克費米子類似的行爲，開啓了人們在固體材料中尋找新型費米子的新世界的大門。

2015 年初，中國科學院物理所的理論研究團隊翁紅明、方忠、戴希研究員小組預言了具有外爾半金屬態的一類化合物砷化钽(TaAs)，在意識到這類材料的重要性之後，物理所的陳根富研究員很快制備出了高質量的單晶，隨即丁洪、錢天研究員小組利用“夢之線”的ARPES，成功在該晶體的電子結構中觀測到了外爾費米子態的特征：表面態上的費米弧 (如圖2 所示)，外爾費米子終于在固體材料中首次展現在科學家面前，中國科學家團隊也成爲最早發現外爾費米子態的研究組之一。

圖2 利用上海光源“夢之線”首次在固體材料砷化钽中觀察到外爾費米弧表面態

外爾費米子的發現入選了美國物理學(APS)2015 年物理學“標志性進展”、英國物理學會《物理世界》“2015 年十大突破”、“2015 年中國科技十大進展新聞”和“2015 年十大科學發現”。在2018 年，該成果也被美國物理學會紀念《物理評論》系列期刊創刊125 周年精選論文集，成爲唯一入選的來自中國本土的工作。

2）“固體宇宙”中新型費米子——三重簡並費米子

受外爾費米子發現的啓發，物理學家們繼續嘗試固體材料中探索新費米子。2016 年中科院物理所理論團隊預言了一種新型費米子——“三重簡並費米子”態，它是不同于狄拉克費米子和外爾費米子的新型費米子。這種新型費米子態並不是宇宙中可能存在，因爲晶體材料裏的電子處在由原子實構成的晶格中，類似于一個具有周期性的“固體宇宙”，然而實際宇宙中的基本粒子並不受這樣的限制，由于二者對稱性的不同，理論學家推算在“固體宇宙”中會存在真實宇宙裏沒有的新費米子態。2017 年中科院物理所的丁洪、錢天研究員小組與石友國研究員小組、翁紅明、方忠研究員小組合作，借助于“夢之線”和瑞士光源，成功解析出具有該類晶體結構的磷化钼單晶的電子結構，並觀測到了三重簡並點（如圖3所示），首次證實了這種奇異的“三重簡並費米子”態。該研究團隊繼續對類似結構的碳化鎢進行更細致的能帶測繪，除了觀察到體態中的三重簡並點，同時也發現了費米弧表面態，完整地確定了該家族三重簡並半金屬態的拓撲性質。

圖3 固體材料中實驗發現的三種費米子：四重簡並的狄拉克費米子（左）、兩重簡並的外爾費米子（中）、三重簡並的新型費米子（右）

三重簡並費米子的發現對于促進人們認識電子拓撲物態，發現新奇物理現象，發展新型電子器件，以及深入理解基本粒子性質都具有重要的意義。該成果入選2017 年中國十大科技進展新聞、中國十大科學進展和2017年中科院科技創新亮點成果。

02超導材料在高壓下的奇異物性

超導電性是某些物質在低溫下表現出電阻完全消失的一種有趣物理現象，也是凝聚態物理研究的一個重要研究熱點。從微觀上說，超導電性是由材料內的晶格、電荷、軌道和自旋的狀態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、電磁場等，來觀測超導性質的相應變化，以及研究超導的産生機理等。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的結構與性質的演變。將被研究的樣品放置在一對金剛石砧面之間(如圖4 所示)，再將這對金剛石放置于X射線光路上。金剛石由于極其堅硬，可以承受住極高的壓力並傳遞給樣品，就可以根據穿透過樣品的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、吉林大學等單位的用戶開展了鐵基超導、高熵合金超導等方面的研究，取得了多項突破性的成果。

圖4 高壓XRD研究中使用的金剛石對頂砧

中國科學院物理所趙忠賢院士和孫力玲研究員小組與美國卡內基研究院的毛和光院士合作，系統研究了鉀鐵硒在高壓條件下的輸運性能和磁性能。該研究組與BL15U1線站合作，利用其高壓微束XRD，獲得了晶體結構與壓力關系的直接實驗證據（如圖5所示）。實驗發現，表明壓力誘發的超導再現現象是在同結構下産生的；後續研究又證實了上述超導電性的變化與鐵元素的空位序密切相關。首次發現了這種超導在壓力下消失隨後又重現的現象，不僅爲非常規超導機制提供了寶貴的信息，也爲新型超導體探索提供了重要的啓發。

圖5 高壓實驗首次在鐵基硫族化合物中發現超導的再現現象。

圖中橫坐標對應著壓力的大小，縱坐標代表超導轉變溫度的高低。標識爲SC-I 的淺綠色區域代表常亞附近出現的超導，隨著壓力的升高，材料出乎意料地進入一個從未被發現過的淺紅色SC-II 超導區域，而且SC-II的超導轉變溫度比SC-I 的還高

原位高壓衍射的另一個成功應用的範例是探索“高熵合金”的超導電性。中國科學院物理所的孫力玲研究員組與普林斯頓大學Robert Cava教授研究組合作，對具有超導電性的高熵合金

開展了高壓實驗。他們發現在1 個大氣壓到高達190 萬大氣壓的如此大範圍內，材料的超導電性都穩定地存在著；同時在近100 大氣壓下，雖然體積被壓縮了近30 %，但是始終沒有發生結構相變。該發現爲“高熵合金”中的超導機制提供了重要的實驗依據，也爲超高壓等極端條件下服役的超導材料的潛在需求提供了一種候選合金。

03過渡金屬氧化物的豐富相變

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複雜相互作用，而表現出極其豐富的物理現象，例如鐵電性、鐵磁性、超導體、熱電效應、半導體、光電效應、壓電效應、磁致伸縮、磁彈性、磁電耦合。由于其獨特而豐富的特性，過渡金屬氧化物不僅是凝聚態物理、材料、化學等領域的研究熱點，同時也被廣泛地應用于太陽能電池、交通、磁存儲、醫療等衆多領域。研究他們對于國民經濟發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、散射等先進實驗方法，配備了原位氧化物薄膜生長系統，爲晶體結構和應變的研究提供了高精度的探測能力。來自南京大學、複旦大學、中國科技大學和新加坡國立大學等單位的研究小組利用此平台，在過渡金屬氧化物中極其重要的鈣钛礦結構氧化物、巨磁阻氧化物等方向開展了系統地研究，取得了若幹重要成果。

南京大學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，精確表征了钌酸锶/钛酸锶超晶格的結構和內部應力分布。證明僅僅1 個單胞厚度的钌酸锶就已經具有了鐵磁性，突破了之前文獻報道的4 個單胞厚度以上才有鐵磁性的極限，爲制備極薄的電極提供了可行的技術路徑。

複旦大學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)薄膜中的化學摻雜有序性對物性的影響。研究發現，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，該工作爲類似電子器件的性能提升帶來了重要的啓發。

04其他方向的應用

除了在上述各方向的應用以外，上海光源還爲用戶提供了X射線成像、X射線吸收譜、X射線光電子顯微鏡等實驗手段，開展在熱電材料、玻璃態物質、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變方面的應用研究對于綠色能源材料的開發和非晶態物理機制理解起到了有意義推動。

熱電材料可以利用塞貝克效應和珀耳帖效應實現廢熱發電和電能制冷，是一種潛在的綠色能源材料。當前熱電材料應用的主要瓶頸是其品質因子很難突破。最近的研究發現，硒化錫單晶在高溫時品質因子達到了創紀錄的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便，因而硒化錫被預期有非常廣闊的應用前景，理解該材料中高品質因子的機理具有重要的應用價值。

浙江大學物理學系鄭毅研究員小組和中國科學院上海微系統所沈大偉研究員小組合作，利用極低溫量子輸運測量和上海光源“夢之線”的ARPES首次揭示了硒化錫的奇異輸運性質，並成功利用“缺陷工程”實現了對該材料電子結構和熱電性能的有效調控，爲進一步利用能帶工程合成和改進高效能熱電材料提供了必要依據。

同步輻射X射線計算機斷層成像(CT)能夠高效、無損地獲得玻璃非晶態的三維結構。在過去幾年中，上海交通大學王宇傑教授利用上海光源X射線成像及生物醫學應用光束線(BL13W1)的同步輻射高速CT 成像技術，對三維顆粒堆積體系的玻璃化轉變的結構和塑性等開展了系統研究，解決了長期以來人們一直在尋找的玻璃化轉變中的有序玻璃態結構。同時，利用顆粒堆積的實空間成像實驗（如圖6所示），他們也解決了長期困惑了金屬玻璃研究的一個非整數冪律的現象，揭示了這一非整數冪律的普適性更可能來源于阻塞相變的臨界現象。此外，該究組還開展了對非晶體系的玻璃化轉變中的塑性的研究，獲得了三維顆粒體系在剪切過程中的結構演化等微觀動力學過程，爲玻璃非晶態物理理論積累了重要的實驗證據。

圖6 顆粒體系中四面體結構形成的團簇，從（a）到（d）體系堆積面積逐漸變，

05總結

SSRF 開放十年來，用戶群體穩步壯大，産出也碩果累累，用戶發表的期刊論文約5000 篇，包括Science、Nature、Cell三種頂級國際刊物的論文近100 篇，SCI-1 區論文約1500篇。

SSRF在包括凝聚態物理、結構生物學、材料科學等多個領域根本性地改變了我國科學家主要依賴國外同步輻射裝置開展前沿領域研究的局面，支撐著用戶在生命科學、凝聚態物理、材料科學、化學催化、生物醫學、環境科學、地質考古、文物保護等諸領域開展了全方位、有特色的研究工作。

目前，上海光源(二期)線站工程已經開始實施，新規劃、設計和建設的16 條光束線和配套的輔助實驗室計劃在2022 年完成。其投入使用將全面拓展光源的研究領域的實驗能力，推動我國基于同步輻射的科學研究實現跨越式提升，爲國內外用戶的多學科研究起到更加積極地推動作用。