在超導(dǎo)材料擁有以電阻幾乎為零的導(dǎo)電能力，所謂的高溫超導(dǎo)體(HTSC)是新一代先進(jìn)技術(shù)的可能候選者。其中之一的“銅酸鹽”是基于氧化銅平面的晶體材料，特別有前景。但在主流的室溫應(yīng)用之前，科學(xué)家們?nèi)匀恍枰獙@些材料有更多的了解。

目前，即使是“高溫”超導(dǎo)體也必須按日常標(biāo)準(zhǔn)冷卻到非常非常冷的溫度。在美國能源部(DOE)布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室工作的布魯克海文和倫敦大學(xué)學(xué)院的科學(xué)家限制發(fā)現(xiàn)了一種新的，令人驚訝的周期性電荷排列。

這種電荷排列與銅酸鹽中的超導(dǎo)電性共存，稱為電荷密度波(CDW)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)樣品反復(fù)加熱超過電荷密度波消失的溫度時，樣品中特定的電荷密度波順序會被“記住”。這一發(fā)現(xiàn)為研究這些耐人尋味的材料機(jī)制開辟了一條新途徑，使科學(xué)家向完整的銅酸鹽中電子行為邁進(jìn)了一步。參與這項(xiàng)研究的研究人員之一布魯克海文實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家Claudio Mazzoli解釋說：這就像融化一堆冰塊，然后重新凍結(jié)它們，然后發(fā)現(xiàn)它們重新凍結(jié)成一堆相同的立方體，即使是在微觀層面，此前沒人會想到會看到這一幕。

其研究成果發(fā)表在《自然通訊》期刊上，與所有高溫超導(dǎo)體一樣，銅酸鹽的電子行為相當(dāng)復(fù)雜。顧名思義，組成電荷密度波的電子形成周期駐波圖案。幾乎所有的銅酸鹽中都觀察到了電荷密度波，但它們在超導(dǎo)中的作用仍未完全了解。它們與超導(dǎo)電性競爭嗎？它們參與了嗎？它們是否以某些方式阻礙超導(dǎo)，并可能在其他方面增加超導(dǎo)電性？科學(xué)家們?nèi)栽谘芯窟@個問題。另一位作者布魯克海文物理學(xué)家馬克·迪恩(Mark Dean)解釋說：在高溫超導(dǎo)體中，研究人員對電子的任何排列都很感興趣。

目標(biāo)是研究這些排列，并對它們進(jìn)行調(diào)整（或許將它們移除）以便材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以接近或超過室溫。要做到這一點(diǎn)，必須盡可能多地了解高溫超導(dǎo)體中電子的行為及其結(jié)構(gòu)。研究人員確實(shí)知道的一件事是，含有相同氧化銅平面的銅酸鹽（但排列方式略有不同）可能具有截然不同的性質(zhì)。這樣看來，承載電荷密度波的晶格部分對電荷密度波有影響。該小組開始研究更多關(guān)于材料的晶格結(jié)構(gòu)和電荷密度波行為之間的關(guān)系。研究的模型系統(tǒng)是一種被稱為LBCO的銅酸鹽，因?yàn)樗幕衔锸牵鸿|、鋇、銅和氧。

LBCO的轉(zhuǎn)變溫度（低于它顯示電荷密度波的溫度，高于它不顯示電荷密度波的溫度）為54開爾文(K)(盡管相當(dāng)于大約-217.7攝氏度，這個溫度在超導(dǎo)體世界中仍然相對較高)，研究小組想要找出LBCO晶格中的缺陷是如何穩(wěn)定電荷密度波。研究人員對發(fā)生在材料中一種眾所周知的晶格扭曲特別感興趣：由結(jié)合的銅和氧原子形成八面體形狀的傾斜。這種傾斜傾向于將電荷密度波錨定到晶格，使得其定向于特定方向；看起來電荷密度波可能對晶格的空間不均勻性或疇敏感。

如本研究中所揭示的溫度行為所表明：電荷密度波和疇之間的這種關(guān)系可能是LBCO所獨(dú)有，了解這是否是銅酸鹽的一般特征將非常重要。研究小組將LBCO樣品循環(huán)通過一系列溫度，反復(fù)加熱和冷卻，同時在布魯克海文國家同步光源II(NSLS-II)(美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施)對其進(jìn)行X射線探測。在相干軟X射線散射(CSX)光束線上，使用了一種稱為相干共振X射線衍射的技術(shù)，其中X射線從CDW空間排列中的不同區(qū)域散射，相互干擾，并形成由特殊相機(jī)捕獲的“散斑”圖案，分析此模式會生成有關(guān)電荷密度波功能的信息。

研究任務(wù)直接觀察電荷密度波，同時跟蹤其在一定溫度范圍內(nèi)的變化，總體來說非常具有挑戰(zhàn)性，這在很大程度上是由于電荷密度波的特征距離非常短。同步光源II非常適合這種類型的研究，因?yàn)樗a(chǎn)生的光具有相干性質(zhì)，這意味著光波的傳播一致，而不是不同步和混亂的，較老的光源沒有這種高度相干的光束。散斑分析表明，即使樣品在更高的溫度下重復(fù)循環(huán)，直到大約240K(約-28°F)，存在于54K以下的特定電荷密度波有序仍然存在。研究人員認(rèn)為，是在240K以下發(fā)生的晶體結(jié)構(gòu)變化創(chuàng)造了一種將電荷密度波錨定在晶格上的“釘扎景觀”。

本研究為研究超導(dǎo)銅酸鹽中電荷和晶格自由度之間的復(fù)雜相互作用開辟了一條新途徑，這也是同步光源II如何用于研究材料的量子相及其壯觀的、意想不到的性質(zhì)的一個很好證明。布魯克海文大學(xué)和倫敦大學(xué)的物理學(xué)家伊恩·羅賓遜(Ian Robinson)表示說：這一結(jié)果強(qiáng)調(diào)了納米尺度磁疇在高溫超導(dǎo)中的重要作用。如果沒有已經(jīng)觀察到的磁疇釘扎效應(yīng)，電荷密度波可能會攜帶電流，進(jìn)一步破壞超導(dǎo)電性。對這些微妙的‘階段’域結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像仍處于初級階段，這項(xiàng)研究工作突出表明需要開發(fā)更好的成像技術(shù)，以便可以直接看到結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

博科園｜研究/來自：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-09433-1

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