科学家在超导搜索中进入未开发的领土

科学家们绘制了超导体的量子特征 - 导电而没有能量损失的材料 - 已经进入了一个新的制度。在美国能源部布鲁克海文国家实验室使用名为OASIS的新连接工具，他们发现了以前难以接近的最常用的“高温”超导体之一的“相图”细节。新映射的数据包括超导性消失时发生的信号。

“就超导性而言，这可能听起来很糟糕，但如果你研究一些现象，那么能够从它的起源接近它总是好的，”布鲁克海文物理学家托尼卡瓦拉说，他刚刚在“ 自然通讯 ”杂志上发表了这项研究。。“如果你有机会看到超导性如何消失，反过来可能会让人深入了解导致超导性的原因。”

布鲁克海文物理学家伊利亚·德罗兹多夫(Ilya Drozdov)是一篇新论文的主要作者，该论文描绘了一个普通超导体相图的一个以前尚未开发的区域。

释放超导的秘密在解决能源挑战方面具有很大的希望。能够长距离传输电流且无损耗的材料将彻底改变电力传输，消除对冷却计算机数据中心的需求，并且例如导致新形式的能量存储。

问题在于，目前，大多数已知的超导体，即使是“高温”品种，也必须保持超级冷却才能发挥其载流魔力。因此，科学家们一直在努力了解导致这些材料超导的关键特性，目的是发现或创造出能够在这些日常应用中更加实用的温度下运行的新材料。

Brookhaven团队正在研究一种众所周知的高温超导体，这种超导体由包括氧化铋，氧化锶，钙和氧化铜(缩写为BSCCO)的层组成。切割这种材料的晶体会产生原始的氧化铋表面。当他们分析原始裂开表面的电子结构时，他们在94开尔文(-179摄氏度)的转变温度(T c)下看到了超导的迹象 - 超导电性为此研究良好的材料设定的最高温度。

BSCCO的这个相图绘制了随着越来越多的电荷空位或“空穴”被掺杂到材料中(水平，x轴)的超导性设定的温度(T，以开尔文为单位，在y轴上)。在“圆顶”(左)的欠掺杂侧，随着更多的孔被添加，过渡温度增加到最大94K，但随着更多的孔被添加，转变温度下降。红色虚线表示先前假定的超导性“圆顶”的依赖性，而黑色线表示从新数据(黑点)获得的正确依赖性。这是科学家第一次能够创建高度过度的样品，使他们能够探索黄色阴影的相图部分，其中超导性消失。

然后团队用臭氧(O 3)加热样品，发现它们可以达到高掺杂水平并探索此材料相图的先前未开发部分，这是一个类似地图的图表，显示材料在不同温度下如何改变其性质条件(类似于您可以绘制液体水冷却时冻结的温度和压力坐标，或加热时变为蒸汽的方式)。在这种情况下，科学家感兴趣的变量是通过暴露于臭氧而在材料中添加或“掺杂”了多少电荷空位或“空穴”。孔通过在某处提供电荷(电子)来促进电流的流动。

“对于这种材料，如果你从'母'化合物的晶体开始，这是一种绝缘体(意味着没有导电性)，孔的引入会导致超导性，”Valla说。他解释说，随着更多的孔被添加，超导性变得越来越强，在更高的温度下最高达到94开尔文。“然后，随着更多的孔，材料变得'过掺杂'，并且对于这种材料，T c下降到50K。

“在这项研究之前，没有人知道这一点，因为我们无法将晶体掺杂到该水平以上。但是我们的新数据将我们带到了超出先前限制的兴奋剂点，达到了Tc无法衡量的程度。“

Valla说，“这意味着我们现在可以在这种材料中探索整个圆顶形状的超导曲线，这是以前没有人能够做到的。”

费米表面或电子结构中的最高占据状态允许直接确定掺杂水平。该图显示了高度过度掺杂的非超导BSCCO的费米表面，其中通过暴露于臭氧将孔添加到材料中。

该团队创建的样品在真空中加热(以产生欠掺杂材料)和在臭氧中(制作过量样品)并沿整个超导圆顶绘制点。他们在相图的先前未探索的“远端”中发现了一些有趣的特征。

“我们看到的是事情变得更加简单，”瓦拉说。地图探索方面存在的一些奇怪的特征使科学家对高温超导性的理解变得复杂 - 电子特征中的“赝能隙”，以及粒子自旋和电荷密度的变化 - 消失在穹顶的远侧过度。

“相图的这一侧有点像我们期望在更传统的超导体中看到的那样，”Valla说，指的是最古老的已知金属基超导体。

“当超导性没有使这些图片复杂化的其他事物时，剩下的就是超导性，这可能不是非传统的，”他补充说。“我们仍然可能不知道它的起源，但在相图的这一侧，它看起来像理论可以更容易处理的东西，并且它为您提供了一种更简单的方法来查看问题以试图了解正在发生的事情。 ”

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