破壞電子波為高溫超導(dǎo)提供新線索

科學(xué)家追蹤了超導(dǎo)電流神秘出現(xiàn)之前和之后的電荷和旋轉(zhuǎn)的難以捉摸的波浪

與傳統(tǒng)導(dǎo)體(如銅)固有的不可避免的浪費不同，超導(dǎo)體能夠以極高的效率傳輸電力。但是，這種完美是以極端寒冷為代價的 - 甚至所謂的高溫超導(dǎo)性(HTS)也只能出現(xiàn)在華氏零度以下。發(fā)現(xiàn)HTS背后難以捉摸的機制可以徹底改變從區(qū)域電網(wǎng)到風(fēng)力渦輪機的一切。

現(xiàn)在，由能源部布魯克海文實驗室領(lǐng)導(dǎo)的一項合作已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了可能支撐HTS的電子相互作用的驚人崩潰。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨著超導(dǎo)電性在更高的溫度下消失，強大的電子波開始奇怪地解耦并且表現(xiàn)得獨立 - 就像海浪在不同方向上分裂和波動。

第一作者和布魯克海文實驗室研究員胡淼說：“這是我們第一次確定超導(dǎo)電性消退后發(fā)生的關(guān)鍵電子相互作用。” “這幅肖像既比我們想象的更陌生，更令人興奮，它提供了理解和潛在利用這些卓越材料的新方法。”

這項于11月7日發(fā)表在PNAS期刊上的新研究探討了電子的兩個關(guān)鍵量子特性：自旋和電荷之間令人費解的相互作用。

研究資深作者和Brookhaven Lab物理學(xué)家馬克·迪恩說：“我們知道電荷和自旋鎖在一起并在銅氧化物中形成波浪，冷卻到超導(dǎo)溫度。” “但我們沒有意識到這些電子波持續(xù)存在，但似乎在更高的溫度下解耦。”

電子條紋和波浪

布魯克海文實驗室的科學(xué)家在1995年發(fā)現(xiàn)，在一些高溫超導(dǎo)材料中，自旋和電荷可以鎖定在一起并在低溫下形成空間調(diào)制的“條紋”。然而，其他材料的特征在于相關(guān)的電子電荷作為電荷密度波滾動而看起來完全忽略了旋轉(zhuǎn)。深化HTS之謎，充電和旋轉(zhuǎn)也可以放棄獨立和聯(lián)系在一起。

“這些'條紋'和相關(guān)波在高溫超導(dǎo)中的作用引起了激烈的爭論，”苗說。“有些元素可能是必不可少的，或者只是較大拼圖的一小部分。我們需要更清晰地了解溫度范圍內(nèi)的電子活動，特別是溫度較高的瞬間信號。“

想象一下，例如，知道冰的精確化學(xué)結(jié)構(gòu)，但不知道當(dāng)它變成液體或蒸汽時會發(fā)生什么。使用這些氧化銅超導(dǎo)體或銅酸鹽，有類似的神秘感，但隱藏在更復(fù)雜的材料中。盡管如此，科學(xué)家們?nèi)匀恍枰扇±鋬隼錁悠凡ζ溥M(jìn)行精心加熱以準(zhǔn)確追蹤其性能如何變化。

定制材料中的微妙信號

該團隊采用了一種成熟的高溫超導(dǎo)材料 - 鑭 - 鋇銅氧化物(LBCO)，以強烈的條紋形成著稱。布魯克海文實驗室的科學(xué)家Genda Gu精心準(zhǔn)備了樣品并定制了電子配置。

“我們不能在這些銅杯中出現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)異?；蝈e誤的原子 - 它們必須是完美的，”迪恩說。“Genda在創(chuàng)造這些材料方面是世界上最好的之一，我們很幸運能夠?qū)⑺牟拍芊旁谘矍啊?rdquo;

在低溫下，電子信號功能強大且易于檢測，這也是幾十年前發(fā)現(xiàn)它們的原因之一。為了在更高的溫度下梳理出難以捉摸的信號，該團隊需要前所未有的靈敏度。

“我們轉(zhuǎn)向法國的歐洲同步輻射裝置(ESRF)進(jìn)行重要的實驗工作，”苗說。“我們的同事操作一條光束線，仔細(xì)調(diào)整X射線能量，與特定電子共振，并檢測其行為的微小變化。”

該團隊使用了一種稱為共振非彈性X射線散射(RIXS)的技術(shù)來跟蹤電子的位置和電荷。聚焦的X射線束照射到材料上，沉積一些能量，然后反射到探測器中。那些散射的X射線帶有它們沿途撞擊的電子的特征。

隨著樣品中溫度的升高，導(dǎo)致超導(dǎo)性逐漸消失，電荷和自旋的耦合波開始解鎖并獨立移動。

“這表明它們的耦合可能會加強條紋的形成，或通過一些未知的機制賦予高溫超導(dǎo)性，”苗說。“它肯定值得進(jìn)一步探索其他材料，以了解這種現(xiàn)象的普遍程度。當(dāng)然，這是一個關(guān)鍵的洞察力，但現(xiàn)在說它如何解鎖HTS機制還為時尚早。“

進(jìn)一步的探索將包括其他HTS材料以及其他同步加速器設(shè)施，特別是Brookhaven Lab的同步加速器光源II(NSLS-II)，DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。

“在NSLS-II上使用新的光束線，我們可以自由旋轉(zhuǎn)樣品并利用明顯更好的能量分辨率，”Dean說。“這將使我們更全面地了解整個樣本中的電子相關(guān)性。還有更多的發(fā)現(xiàn)。“