科學(xué)家利用高強(qiáng)度紅外光脈沖發(fā)現(xiàn)，在溫度處于開始無阻抗地傳輸電力的臨界溫度以上時(shí)，超導(dǎo)電性與材料中電荷“條紋”相關(guān)的證據(jù)，----這一發(fā)現(xiàn)可以幫助他們設(shè)計(jì)出更好的高溫超導(dǎo)體。

       物理學(xué)家Genda Gu在Brookhaven最先進(jìn)的晶體生長實(shí)驗(yàn)室中舉著LBCO的單晶棒——一種由鑭，鋇，銅和氧組成的復(fù)合物。背景圖是他用來合成這些高品質(zhì)水晶的紅外圖像爐。

       圖片來源：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室

       該科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在含有鑭、鋇、銅和氧元的層狀材料（LBCO）中發(fā)現(xiàn)電子以隱藏狀態(tài)存在。而當(dāng)冷卻到一定溫度和一定濃度的鋇時(shí)，雖然LBCO在沒有電阻時(shí)仍導(dǎo)電，但是現(xiàn)在有證據(jù)表明超導(dǎo)狀態(tài)實(shí)際上也發(fā)生在該溫度以上。只是使用合適的工具的問題，只有在這種情況下，利用紅外光的高強(qiáng)度脈沖才能看到它。

       在2月2日出版的《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇論文中，該團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步揭示了LBCO和在其他元素之間含有銅和氧夾層的類似化合物中超導(dǎo)電性的數(shù)十年的神秘感。這些“銅酸鹽”在比傳統(tǒng)超導(dǎo)體更高的溫度下變成超導(dǎo)體，要使它們的電子以100％的效率流過它們，超導(dǎo)體必須冷凍到接近絕對零度（零下459華氏度）。了解銅酸鹽的內(nèi)部屬性可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)更好的高溫超導(dǎo)體，消減昂貴冷卻系統(tǒng)的成本并提高發(fā)電、輸電和配電的效率。想象一下，永遠(yuǎn)不會升溫的電腦，還有不會損耗能量的電網(wǎng)。

       美國能源部（DOE）布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)系中子散射團(tuán)隊(duì)的物理學(xué)家兼團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人John Tranquada說，“自20世紀(jì)80年代以來我們一直在研究銅礦，最終的目標(biāo)是在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性，如果我們想通過設(shè)計(jì)做到這一點(diǎn)，我們必須弄清楚哪些特征對于超導(dǎo)性是至關(guān)重要的。然而，在諸如銅酸鹽這樣復(fù)雜的材料中剔除這些特征并非易事?！?/p>

       LBCO的銅—氧平面包含由電子自旋，其是以相反方向交替的一類磁性分開的電荷的“條紋”。為了保證LBCO變成超導(dǎo)體，這些條紋中的單個(gè)電子需要在整個(gè)材料中配對并能一致移動(dòng)。

       之前的實(shí)驗(yàn)表明，在保證LBCO變?yōu)槌瑢?dǎo)的溫度之上，當(dāng)電輸送垂直于面時(shí)有電阻，但在電輸送平行于面時(shí)電阻為零。理論學(xué)家們則提出，這種現(xiàn)象可能屬于超導(dǎo)電性的一種不尋常的空間調(diào)制，超導(dǎo)狀態(tài)的振幅從一個(gè)電荷帶移動(dòng)到另一個(gè)電荷帶時(shí)，振蕩由正向負(fù)。條紋圖案在層與層之間旋轉(zhuǎn)90度，并且他們認(rèn)為這種相對方向阻止了超導(dǎo)電子對在層之間的相干移動(dòng)。

       Tranquada說：“這個(gè)想法類似于將光線通過一對光學(xué)偏光鏡，比如某些太陽鏡的鏡片，當(dāng)偏光鏡方向一致時(shí)，它們可以通過光線，但當(dāng)其相對方向旋轉(zhuǎn)到90度時(shí)，偏光鏡會阻擋所有光線?！?/p>

       然而，直到現(xiàn)在，一直缺乏這張照片的直接實(shí)驗(yàn)性測試。

       還有一個(gè)挑戰(zhàn)是合成實(shí)驗(yàn)所需的LBCO的大尺寸、高品質(zhì)單晶。Tranquada團(tuán)隊(duì)的物理學(xué)家、合著者Genda Gu說：“一個(gè)晶體的生長大概需要兩個(gè)月的時(shí)間，這個(gè)過程需要精確地控制溫度、氣氛、化學(xué)成分和其他條件?！盙u使用了一臺紅外成像爐（一臺帶有兩盞亮燈的機(jī)器），它將紅外光聚焦到一個(gè)含有起始材料的圓柱形棒材上，將材料加熱到接近華氏2500度并使其熔化，在國家晶體生長實(shí)驗(yàn)室中生長LBCO晶體。

       馬克斯普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所以及牛津大學(xué)的合作者，隨后將高強(qiáng)度激光脈沖產(chǎn)生的紅外光導(dǎo)向晶體（在垂直于平面的方向上進(jìn)行光偏振），并測量從樣品反射回來的光的強(qiáng)度。除了通常的反應(yīng)---晶體反射的光線頻率與入射光線相同，但是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)反射光信號卻比入射光頻率高三倍。

       “對于具有三維超導(dǎo)性的樣品，超導(dǎo)特征可以通過基頻和三次諧波看到，”Tranquada說，“對于電荷條紋阻擋層間超導(dǎo)電流的樣品，雖然在基頻上沒有光學(xué)信號，但是，通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與強(qiáng)烈的紅外光平衡，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了層間的凈耦合，超導(dǎo)信號出現(xiàn)在三次諧波中。我們曾經(jīng)懷疑電子配對是存在的，只是需要一個(gè)更強(qiáng)的工具來使揭示這種超導(dǎo)機(jī)理。”

       漢堡大學(xué)理論家對反射率的分析和數(shù)值模擬支持這一實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果。

       這項(xiàng)研究又提供了一種新技術(shù)來探測高溫超導(dǎo)體中不同類型的電子序列，這種新的認(rèn)識將有助于解釋銅酸鹽中的其他獨(dú)特的行為。