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发现能“记住”电子排列的超导体,或将为超导体研究带来新突破

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发表于 2019-11-9 02:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
在超导质料拥有以电阻险些为零的导电本领,所谓的高温超导体(HTSC)是新一代先辈技能的大概候选者。此中之一的“铜酸盐”是基于氧化铜平面的晶体质料,特殊有远景。但在主流的室温应用之前,科学家们仍然须要对这些质料有更多的相识。现在,纵然是“高温”超导体也必须按一样平常标准冷却到非常非常冷的温度。在美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实行室工作的布鲁克海文和伦敦大学学院的科学家限定发现了一种新的,令人惊讶的周期性电荷分列。


这种电荷分列与铜酸盐中的超导电性共存,称为电荷密度波(CDW),发现当样品反复加热凌驾电荷密度波消散的温度时,样品中特定的电荷密度波次序会被“记着”。这一发现为研究这些耐人寻味的质料机制开发了一条新途径,使科学家向完备的铜酸盐中电子举动迈进了一步。加入这项研究的研究职员之一布鲁克海文实行室物理学家Claudio Mazzoli表明说:这就像融化一堆冰块,然后重新冻结它们,然后发现它们重新冻结成一堆雷同的立方体,纵然是在微观层面,此前没人会想到会看到这一幕。


其研究结果发表在《天然通讯》期刊上,与全部高温超导体一样,铜酸盐的电子举动相当复杂。顾名思义,构成电荷密度波的电子形成周期驻波图案。险些全部的铜酸盐中都观察到了电荷密度波,但它们在超导中的作用仍未完全相识。它们与超导电性竞争吗?它们加入了吗?它们是否以某些方式拦阻超导,并大概在其他方面增长超导电性?科学家们仍在研究这个题目。另一位作者布鲁克海文物理学家马克·迪恩(Mark Dean)表明说:在高温超导体中,研究职员对电子的任何分列都很感爱好。


目的是研究这些分列,并对它们举行调解(大概将它们移除)以便质料的超导变化温度可以靠近或凌驾室温。要做到这一点,必须尽大概多地相识高温超导体中电子的举动及其结构。研究职员确实知道的一件事是,含有雷同氧化铜平面的铜酸盐(但分列方式略有差别)大概具有大相径庭的性子。如许看来,承载电荷密度波的晶格部分对电荷密度波有影响。该小组开始研究更多关于质料的晶格结构和电荷密度波举动之间的关系。研究的模子体系是一种被称为LBCO的铜酸盐,由于它所包罗的化合物是:镧、钡、铜和氧。


LBCO的变化温度(低于它表现电荷密度波的温度,高于它不表现电荷密度波的温度)为54开尔文(K)(只管相当于约莫-217.7摄氏度,这个温度在超导体天下中仍然相对较高),研究小组想要找出LBCO晶格中的缺陷是怎样稳固电荷密度波。研究职员对发生在质料中一种众所周知的晶格扭曲特殊感爱好:由联合的铜和氧原子形成八面体外形的倾斜。这种倾斜倾向于将电荷密度波锚定到晶格,使得其定向于特定方向;看起来电荷密度波大概对晶格的空间不匀称性或畴敏感。


如本研究中所显现的温度举动所表明:电荷密度波和畴之间的这种关系大概是LBCO所独有,相识这是否是铜酸盐的一样平常特性将非常紧张。研究小组将LBCO样品循环通过一系列温度,反复加热和冷却,同时在布鲁克海文国家同步光源II(NSLS-II)(美国能源部科学办公室用户办法)对其举行X射线探测。在干系软X射线散射(CSX)光束线上,使用了一种称为干系共振X射线衍射的技能,此中X射线从CDW空间分列中的差别地区散射,相互干扰,并形成由特殊相机捕捉的“散斑”图案,分析此模式会天生有关电荷密度波功能的信息。


研究使命直接观察电荷密度波,同时跟踪其在肯定温度范围内的变革,总体来说非常具有挑衅性,这在很大水平上是由于电荷密度波的特性隔断非常短。同步光源II非常恰当这种范例的研究,由于它产生的光具有干系性子,这意味着光波的流传同等,而不是差别步和紊乱的,较老的光源没有这种高度干系的光束。散斑分析表明,纵然样品在更高的温度下重复循环,直到约莫240K(约-28°F),存在于54K以下的特定电荷密度波有序仍然存在。研究职员以为,是在240K以下发生的晶体结构变革创造了一种将电荷密度波锚定在晶格上的“钉扎景观”。


本研究为研究超导铜酸盐中电荷和晶格自由度之间的复杂相互作用开发了一条新途径,这也是同步光源II怎样用于研究质料的量子相及其壮观的、意想不到的性子的一个很好证明。布鲁克海文大学和伦敦大学的物理学家伊恩·罗宾逊(Ian Robinson)表现说:这一结果夸大了纳米标准磁畴在高温超导中的紧张作用。假如没有已经观察到的磁畴钉扎效应,电荷密度波大概会携带电流,进一步粉碎超导电性。对这些玄妙的‘阶段’域结构举行成像仍处于低级阶段,这项研究工作突出表明须要开发更好的成像技能,以便可以直接看到结构细节。
博科园|研究/来自:布鲁克海文国家实行室
参考期刊《天然通讯》
DOI: 10.1038/s41467-019-09433-1
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