在超导材料拥有以电阻几乎为零的导电能力，所谓的高温超导体(HTSC)是新一代先进技术的可能候选者。其中之一的“铜酸盐”是基于氧化铜平面的晶体材料，特别有前景。但在主流的室温应用之前，科学家们仍然需要对这些材料有更多的了解。目前，即使是“高温”超导体也必须按日常标准冷却到非常非常冷的温度。在美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室工作的布鲁克海文和伦敦大学学院的科学家限制发现了一种新的，令人惊讶的周期性电荷排列。
这种电荷排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超过电荷密度波消失的温度时，样品中特定的电荷密度波顺序会被“记住”。这一发现为研究这些耐人寻味的材料机制开辟了一条新途径，使科学家向完整的铜酸盐中电子行为迈进了一步。参与这项研究的研究人员之一布鲁克海文实验室物理学家Claudio Mazzoli解释说：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相同的立方体，即使是在微观层面，此前没人会想到会看到这一幕。
其研究成果发表在《自然通讯》期刊上，与所有高温超导体一样，铜酸盐的电子行为相当复杂。顾名思义，组成电荷密度波的电子形成周期驻波图案。几乎所有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了解。它们与超导电性竞争吗？它们参与了吗？它们是否以某些方式阻碍超导，并可能在其他方面增加超导电性？科学家们仍在研究这个问题。另一位作者布鲁克海文物理学家马克·迪恩(Mark Dean)解释说：在高温超导体中，研究人员对电子的任何排列都很感兴趣。
目标是研究这些排列，并对它们进行调整（或许将它们移除）以便材料的超导转变温度可以接近或超过室温。要做到这一点，必须尽可能多地了解高温超导体中电子的行为及其结构。研究人员确实知道的一件事是，含有相同氧化铜平面的铜酸盐（但排列方式略有不同）可能具有截然不同的性质。这样看来，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材料的晶格结构和电荷密度波行为之间的关系。研究的模型系统是一种被称为LBCO的铜酸盐，因为它所包含的化合物是：镧、钡、铜和氧。
LBCO的转变温度（低于它显示电荷密度波的温度，高于它不显示电荷密度波的温度）为54开尔文(K)(尽管相当于大约-217.7摄氏度，这个温度在超导体世界中仍然相对较高)，研究小组想要找出LBCO晶格中的缺陷是如何稳定电荷密度波。研究人员对发生在材料中一种众所周知的晶格扭曲特别感兴趣：由结合的铜和氧原子形成八面体形状的倾斜。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；看起来电荷密度波可能对晶格的空间不均匀性或畴敏感。
如本研究中所揭示的温度行为所表明：电荷密度波和畴之间的这种关系可能是LBCO所独有，了解这是否是铜酸盐的一般特征将非常重要。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设施)对其进行X射线探测。在相干软X射线散射(CSX)光束线上，使用了一种称为相干共振X射线衍射的技术，其中X射线从CDW空间排列中的不同区域散射，相互干扰，并形成由特殊相机捕获的“散斑”图案，分析此模式会生成有关电荷密度波功能的信息。
研究任务直接观察电荷密度波，同时跟踪其在一定温度范围内的变化，总体来说非常具有挑战性，这在很大程度上是由于电荷密度波的特征距离非常短。同步光源II非常适合这种类型的研究，因为它产生的光具有相干性质，这意味着光波的传播一致，而不是不同步和混乱的，较老的光源没有这种高度相干的光束。散斑分析表明，即使样品在更高的温度下重复循环，直到大约240K(约-28°F)，存在于54K以下的特定电荷密度波有序仍然存在。研究人员认为，是在240K以下发生的晶体结构变化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辟了一条新途径，这也是同步光源II如何用于研究材料的量子相及其壮观的、意想不到的性质的一个很好证明。布鲁克海文大学和伦敦大学的物理学家伊恩·罗宾逊(Ian Robinson)表示说：这一结果强调了纳米尺度磁畴在高温超导中的重要作用。如果没有已经观察到的磁畴钉扎效应，电荷密度波可能会携带电流，进一步破坏超导电性。对这些微妙的‘阶段’域结构进行成像仍处于初级阶段，这项研究工作突出表明需要开发更好的成像技术，以便可以直接看到结构细节。
博科园｜研究/来自：布鲁克海文国家实验室
参考期刊《自然通讯》
DOI: 10.1038/s41467-019-09433-1
博科园｜科学、科技、科研、科普
关注【博科园】看更多大美宇宙科学
