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科学家发现铜酸盐超导体中的能隙调制

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多年以来,物理学家一直试图破译高温超导体的电子细节。这些材料在冷却至一定温度以下时能够承载电流而不会损失能量,因此可能会彻底改变能量传输和电子学。“高Tc”超导体的微观电子结构的细节可以揭示出不同相(物质状态)如何与超导竞争或相互作用-在这种状态下,带电的电子以某种方式克服了其排斥力,从而配对并自由流动。最终目标是了解如何使这些材料充当超导体而无需过冷。

现在,在美国能源部布鲁克海文国家实验室研究高Tc超导体的科学家已经有了确凿的证据,证明存在着一种称为“ 对密度波”的物质状态,这是大约50年前理论家首次预测到的。他们的结果发表在《自然》杂志上,表明该相与超导性在一个著名的铋基氧化铜超导体中共存。

布鲁克海文实验室负责这项研究的物理学家藤田和宏说:“这是在零磁场下存在的线对密度波的第一个直接光谱学证据。” “我们已经确定,线对密度波在这种材料中起着重要作用。我们的结果表明,这两种物质状态-线对密度波和超导性-共存并相互作用。”

研究小组的结果来自布鲁克海文OASIS实验室使用最先进的光谱成像扫描隧道显微镜(SI-STM)对单电子隧道光谱进行的测量。

藤田说:“我们测量的是在给定位置从样品表面到SI-STM超导电极尖端的“隧道”中有多少电子,反之亦然,因为我们改变了样品与尖端之间的能量(电压)。 。“通过这些测量,我们可以绘制出晶格和状态的电子密度,以及在给定位置的电子数量。”

当材料不超导时,电子存在于连续的能量谱中,每个能量以其自己的唯一波长传播。但是,当温度下降时,电子开始相互作用-当材料进入超导状态时配对。发生这种情况时,科学家会观察到由该特定能量范围内的电子缺失导致的能谱缺口。

布鲁克海文大学OASIS的光谱成像扫描隧道显微镜(SI-STM)上的藤田和宏(上)与其他研究小组成员(左至右:顾大达,桑贤珠,杜增义,彼得·约翰逊和李慧)实验室。图片来源:布鲁克海文国家实验室

藤田说:“间隙的能量等于将电子对分裂开来所需要的能量(这告诉你它们之间的结合紧密),”

当科学家扫描材料表面时,他们发现了能空间调节的能隙结构。能隙的这些调制表明,电子结合的强度发生了变化-增大到最大值,然后下降到最小值-这种图案在规则排列的晶格表面上每八个原子重复一次。

这项工作建立在以前的测量基础之上,表明通过成对电子束传输到显微镜中产生的电流也以相同的周期性变化。电流的那些调制是第一个证据,尽管在某种程度上是偶然的,但存在对密度波。

“成对电子的电流调制表明,电子在整个表面上的配对强度存在调制。但是这次,通过测量单个电子的能谱,我们成功地直接测量了电子的调制间隙。这些间隙的大小的调制是直接的光谱学证据,表明存在配对密度波状态。”藤田说。

新的结果还包括对密度波的其他关键特征的证据,包括称为“半涡旋”的缺陷,以及其与超导相的相互作用。

此外,能隙调制反映了布鲁克海文实验室的其他研究,表明存在某些电子和磁特性的调制模式(有时称为“条纹”),这种模式在某些高Tc铜酸盐超导体中也以八单元周期出现。

“这些发现共同表明,线对密度波在这些材料的超导性能中起着重要作用。了解这种状态可能有助于我们理解复杂的相图,该图描绘了在不同条件(包括温度,磁场)下超导性能如何出现。 ,以及载流子密度。”藤田说。

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