科学家追踪了超导电流神秘出现之前和之后的电荷和旋转的难以捉摸的波浪

与传统导体(如铜)固有的不可避免的浪费不同，超导体能够以极高的效率传输电力。但是，这种完美是以极端寒冷为代价的 - 甚至所谓的高温超导性(HTS)也只能出现在华氏零度以下。发现HTS背后难以捉摸的机制可以彻底改变从区域电网到风力涡轮机的一切。

现在，由美国能源部布鲁克海文国家实验室领导的一项合作已经发现了可能支撑HTS的电子相互作用的惊人崩溃。科学家发现，随着超导电性在更高的温度下消失，强大的电子波开始奇怪地解耦并且表现得独立 - 就像海浪在不同方向上分裂和波动。

第一作者和布鲁克海文实验室研究员胡淼说：“这是我们第一次确定超导电性消退后发生的关键电子相互作用。” “这幅肖像既比我们想象的更陌生，更令人兴奋，它提供了理解和潜在利用这些卓越材料的新方法。”

这项于11月7日发表在PNAS期刊上的新研究探讨了电子的两个关键量子特性：自旋和电荷之间令人费解的相互作用。

研究资深作者和Brookhaven Lab物理学家马克·迪恩说：“我们知道电荷和自旋锁在一起并在铜氧化物中形成波浪，冷却到超导温度。” “但我们没有意识到这些电子波持续存在，但似乎在更高的温度下解耦。”

电子条纹和波浪

布鲁克海文实验室的科学家在1995年发现，在一些高温超导材料中，自旋和电荷可以锁定在一起并在低温下形成空间调制的“条纹”。然而，其他材料的特征在于相关的电子电荷作为电荷密度波滚动而看起来完全忽略了旋转。深化HTS之谜，充电和旋转也可以放弃独立和联系在一起。

“这些'条纹'和相关波在高温超导中的作用引起了激烈的争论，”苗说。“有些元素可能是必不可少的，或者只是较大拼图的一小部分。我们需要更清晰地了解温度范围内的电子活动，特别是温度较高的瞬间信号。“

想象一下，例如，知道冰的精确化学结构，但不知道当它变成液体或蒸汽时会发生什么。使用这些氧化铜超导体或铜酸盐，有类似的神秘感，但隐藏在更复杂的材料中。尽管如此，科学家们仍然需要采取冷冻冷样品并对其进行精心加热以准确追踪其性能如何变化。

定制材料中的微妙信号

该团队采用了一种成熟的高温超导材料 - 镧 - 钡铜氧化物(LBCO)，以强烈的条纹形成着称。布鲁克海文实验室的科学家Genda Gu精心准备了样品并定制了电子配置。

“我们不能在这些铜杯中出现任何结构异常或错误的原子 - 它们必须是完美的，”迪恩说。“Genda在创造这些材料方面是世界上最好的之一，我们很幸运能够将他的才能放在眼前。”

在低温下，电子信号功能强大且易于检测，这也是几十年前发现它们的原因之一。为了在更高的温度下梳理出难以捉摸的信号，该团队需要前所未有的灵敏度。

“我们转向法国的欧洲同步辐射装置(ESRF)进行重要的实验工作，”苗说。“我们的同事操作一条光束线，仔细调整X射线能量，与特定电子共振，并检测其行为的微小变化。”

该团队使用了一种称为共振非弹性X射线散射(RIXS)的技术来跟踪电子的位置和电荷。聚焦的X射线束照射到材料上，沉积一些能量，然后反射到探测器中。那些散射的X射线带有它们沿途撞击的电子的特征。

随着样品中温度的升高，导致超导性逐渐消失，电荷和自旋的耦合波开始解锁并独立移动。

“这表明它们的耦合可能会加强条纹的形成，或通过一些未知的机制赋予高温超导性，”苗说。“它肯定值得进一步探索其他材料，以了解这种现象的普遍程度。当然，这是一个关键的洞察力，但现在说它如何解锁HTS机制还为时尚早。“

进一步的探索将包括其他HTS材料以及其他同步加速器设施，特别是Brookhaven Lab的国家同步加速器光源II(NSLS-II)，DOE科学用户设施办公室。

“在NSLS-II上使用新的光束线，我们可以自由旋转样品并利用明显更好的能量分辨率，”Dean说。“这将使我们更全面地了解整个样本中的电子相关性。还有更多的发现。“