使高溫超導(dǎo)消失以了解其起源

當(dāng)同時(shí)進(jìn)行多個(gè)流程時(shí)，建立因果關(guān)系很困難。對(duì)于一類稱為銅酸鹽的高溫超導(dǎo)體，這種情況適用。這些銅-氧化合物發(fā)現(xiàn)于近35年前，在某些條件下可以導(dǎo)電而無阻力。必須對(duì)它們進(jìn)行化學(xué)修飾(“摻雜”)，并將其引入電子或空穴(電子空位)到氧化銅層中，并冷卻至低于100開爾文(-280華氏度)的溫度-比常規(guī)溫度要高得多超導(dǎo)體。

但是，確切地說，電子如何克服它們的相互排斥并配對(duì)以在這些材料中自由流動(dòng)仍然是凝聚態(tài)物理中最大的問題之一。高溫超導(dǎo)性(HTS)是由于電子之間強(qiáng)烈的相互作用而發(fā)生的許多現(xiàn)象之一，因此很難確定其來源。

這就是為什么能源部(DOE)布魯克黑文實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家研究一種著名的含有由氧化鉍，氧化鍶，鈣和氧化銅(BSCCO)構(gòu)成的層的銅酸鹽的原因，他們決定專注于較簡(jiǎn)單的“超摻雜”面，對(duì)材料進(jìn)行大量摻雜，以至于超導(dǎo)最終消失。正如他們 在1月29日發(fā)表在《自然通訊》上 的一篇論文中所報(bào)道的那樣 ，這種方法使他們能夠確定純電子交互可能導(dǎo)致HTS。

Brookhaven實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物質(zhì)電子光譜小組的 物理學(xué)家第一作者Tonica Valla解釋說：“銅酸鹽中的超導(dǎo)性通常與電荷或自旋的周期性排列并存有許多其他現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能與超導(dǎo)性競(jìng)爭(zhēng)或輔助超導(dǎo)性競(jìng)爭(zhēng)，使情況復(fù)雜化。” 物理與材料科學(xué)系。“但是這些現(xiàn)象隨著摻雜而減弱或完全消失，只剩下超導(dǎo)性。因此，這是研究超導(dǎo)起源的理想?yún)^(qū)域。我們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了BSCCO中電子之間的相互作用，該相互作用與超導(dǎo)性一對(duì)一相關(guān)。超導(dǎo)電性正是在這種相互作用首次出現(xiàn)時(shí)出現(xiàn)的，并隨著相互作用的增強(qiáng)而變得更強(qiáng)。”

直到最近，才有可能在超導(dǎo)性消失之前對(duì)銅酸鹽樣品進(jìn)行過量摻雜。先前，材料的塊狀晶體將在高壓氧氣中退火(加熱)以增加氧氣(摻雜劑材料)的濃度。Valla和其他Brookhaven科學(xué)家 在一年前在OASIS(一種用于樣品制備和表征的新現(xiàn)場(chǎng)儀器)上首次展示了這種新方法，該方法 使用臭氧代替氧氣對(duì)裂解的樣品進(jìn)行退火。劈開是指在真空中破碎晶體以產(chǎn)生完美平坦和清潔的表面。

該部門氧化物分子束外延(OMBE)組的物理學(xué)家伊利亞·德羅茲多夫(Ilya Drozdov)解釋說：“臭氧的氧化能力或其接受電子的能力比分子氧要強(qiáng)得多 。” “這意味著我們可以將更多的氧氣帶入晶體，從而在發(fā)生超導(dǎo)的氧化銅平面上形成更多的空穴。在OASIS，我們可以將材料的表面層一直摻雜到非超導(dǎo)區(qū)域，并研究由此產(chǎn)生的電子激發(fā)。”

OASIS將用于生長(zhǎng)氧化物薄膜的OMBE系統(tǒng)與角度分辨光發(fā)射光譜(ARPES)和光譜成像-掃描隧道顯微鏡(SI-STM)儀器相結(jié)合，用于研究這些薄膜的電子結(jié)構(gòu)。在這里，可以使用同一連接的超高真空系統(tǒng)來生長(zhǎng)和研究材料，以避免氧化和被大氣中的二氧化碳，水和其他分子污染。由于ARPES和SI-STM是對(duì)表面非常敏感的技術(shù)，因此原始表面對(duì)于獲得準(zhǔn)確的測(cè)量至關(guān)重要。

對(duì)于這項(xiàng)研究，該部門中子散射小組的物理學(xué)家Genda Gu共同 培育了BSCCO塊狀晶體。Drozdov在OASIS的OMBE室中將臭氧中分裂的晶體退火，以增加摻雜，直到完全失去超導(dǎo)性。然后將同一樣品在真空中退火，以逐漸減少摻雜并增加超導(dǎo)出現(xiàn)時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度。Valla通過ARPES在此摻雜溫度相圖中分析了BSCCO的電子結(jié)構(gòu)。

Valla說：“ ARPES為您提供任何材料的電子結(jié)構(gòu)的最直接的圖像。” “光從樣品中激發(fā)出電子，并通過測(cè)量它們的能量和逸出的角度，您可以在它們?nèi)栽诰w中時(shí)重新產(chǎn)生電子的能量和動(dòng)量。”

在測(cè)量這種能量與動(dòng)量的關(guān)系時(shí)，Valla在電子結(jié)構(gòu)中檢測(cè)到跟隨超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的扭結(jié)(異常)。隨著溫度的升高，扭結(jié)變得更明顯，并轉(zhuǎn)移到更高的能量，超導(dǎo)性變強(qiáng)，但在超導(dǎo)狀態(tài)之外消失。根據(jù)這些信息，他知道，按照常規(guī)超導(dǎo)體的理論，產(chǎn)生超導(dǎo)所需的電子對(duì)的相互作用不可能是電子-聲子耦合。根據(jù)這種理論，聲子或晶格中原子的振動(dòng)通過動(dòng)量和能量的交換，對(duì)否則排斥電子的吸引力起作用。

瓦拉說：“我們的結(jié)果使我們可以排除電子-聲子的耦合，因?yàn)榫Ц裰械脑涌梢哉駝?dòng)，而電子可以與這些振動(dòng)相互作用，而與材料是否超導(dǎo)無關(guān)。” “如果涉及聲子，我們期望扭結(jié)處于超導(dǎo)狀態(tài)和正常狀態(tài)，并且扭結(jié)不會(huì)隨著摻雜而改變。”

研究小組認(rèn)為，在這種情況下，發(fā)生了類似于電子-聲子耦合的事情，但是電子之間交換了另一種激勵(lì)，而不是聲子。看來電子通過自旋漲落相互作用，這與電子本身有關(guān)。自旋漲落是電子自旋的變化，或電子作為微小磁體向上或向下指向的方式。

此外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，扭結(jié)的能量小于自旋漲落譜中出現(xiàn)尖銳峰(共振)的特征能量。他們的發(fā)現(xiàn)表明，自旋波動(dòng)的 開始 (而不是共振峰)是觀察到的扭結(jié)的原因，并且可能是將電子結(jié)合到HTS所需的電子對(duì)中的“膠水”。

接下來，研究小組計(jì)劃通過獲取SI-STM測(cè)量值來收集表明自旋波動(dòng)與超導(dǎo)性有關(guān)的其他證據(jù)。他們還將對(duì)另一種著名的銅酸鹽鑭鍶銅氧化物(LSCO)進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)。

瓦拉說：“我們第一次看到與超導(dǎo)性密切相關(guān)的東西。” “經(jīng)過這些年來，我們現(xiàn)在對(duì)BSCCO和其他銅酸鹽中可能導(dǎo)致超導(dǎo)的原因有了更好的了解。”