多年來，物理學家一直試圖破譯高溫超導體的電子細節(jié)，高溫超導體材料可能會給能量傳輸和電子學帶來革命性的變化，因為高溫超導體能夠在冷卻到一定溫度以下時攜帶電流，而不會造成能量損失。

“高Tc”超導體微觀電子結構的細節(jié)，可以揭示不同的相（物質狀態(tài)）是如何與超導競爭或相互作用的，在這種狀態(tài)下，相同電荷的電子以某種方式克服了排斥力，配對并自由流動。

研究的最終目標是了解如何使這些材料在不需要過冷的情況下充當超導體?，F在，在美國能源部布魯克海文國家實驗室，研究高Tc超導體的科學家們有確鑿的證據證明：存在一種被稱為雙密度波的物質狀態(tài)，大約50年前由理論家首次預測，在他們發(fā)表在《自然》期刊上的研究結果顯示：在一種著名的鉍基氧化銅超導體中，這一相與超導電性共存。

領導這項研究的布魯克海文實驗室的物理學家藤田和弘說：這是第一個直接的光譜證據，證明在零磁場下存在這對密度波。研究已經確認，對密度波在這種材料中起著重要作用。研究結果表明：物質的這兩種狀態(tài)（對密度波和超導電性）共存并相互作用。研究團隊的結果來自于使用布魯克海文綠洲實驗室，最先進光譜成像掃描隧道顯微鏡(SI-STM)測量單電子的隧道光譜。測量的是當研究人員改變樣品和超導電極尖端之間的能量(電壓)時：

在給定位置有多少電子從樣品表面‘隧道’到SI-STM的超導電極尖端，反之亦然。通過這些測量，可以繪制出晶格和電子狀態(tài)密度，以及在給定位置的電子數量。當材料不是超導時，電子存在于一個連續(xù)的能譜上，每個能譜都以自己獨特的波長傳播。但當溫度下降時，電子開始相互作用，當材料進入超導狀態(tài)時配對。當這種情況發(fā)生時，科學家們觀察到能譜中的一個缺口，這是由于在那個特定的能量范圍內沒有電子造成。

圖示：銅氧化物（銅酸鹽）超導體中各個電子的結合能（或超導能隙），通過敏感的顯微鏡在整個表面上掃描來測量。圍繞單個原子的藍色和黃色斑點的大?。◣Ъ^的紅色棒表示其自旋方向）指示了能隙的大小（斑點越大，間隙越大，在該位置的電子對結合越強）。

能隙的能量，等于打破電子對所需的能量（這告訴科學家們它們是多么緊密地結合在一起）。當科學家們掃描材料表面時，檢測到了空間調制的能隙結構。能隙中的這些調制，揭示了電子結合強度的變化（增加到最大，然后下降到最小）這種模式在規(guī)則排列的晶格表面每八個原子重復一次。這項研究建立在之前的測量基礎上，表明隧道進入顯微鏡的電子，對產生的電流也以同樣的周期性方式變化。

電流中的這些調制是第一個證據，盡管有些間接的，證明了雙密度波的存在。成對電子電流的調制，是電子表面成對程度存在調制的指標。但這一次，通過測量單個電子的能譜，研究成功地直接測量了發(fā)生成對光譜中的調制間隙。這些間隙大小的調制，是存在成對密度波態(tài)的直接光譜證據。新研究結果還包括對密度波其他關鍵特征的證據（包括被稱為“半渦”的缺陷）以及它與超導相的相互作用。

此外，能隙調制反映了布魯克海文實驗室的另一項研究，該研究表明存在電和磁特性的調制模式（有時被稱為“條紋”）在某些高Tc銅酸鹽超導體中也存在以8個單元為周期的調制模式。綜上所述，這些發(fā)現表明，對密度波在這些材料的超導性能中發(fā)揮著重要作用。了解這種狀態(tài)可能有助于理解復雜的相圖，該相圖描繪了超導屬性在不同條件下是如何出現的，包括溫度、磁場和載流子密度。

博科園｜研究/來自：布魯克海文國家實驗室

參考期刊《自然》

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學