终于证明：存在双密度波的物质状态，实现高温超导体或许不远了！

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多年来，物理学家一直试图破译高温超导体的电子细节，高温超导体材料可能会给能量传输和电子学带来革命性的变化，因为高温超导体能够在冷却到一定温度以下时携带电流，而不会造成能量损失。“高Tc”超导体微观电子结构的细节，可以揭示不同的相（物质状态）是如何与超导竞争或相互作用的，在这种状态下，相同电荷的电子以某种方式克服了排斥力，配对并自由流动。


研究的最终目标是了解如何使这些材料在不需要过冷的情况下充当超导体。现在，在美国能源部布鲁克海文国家实验室，研究高Tc超导体的科学家们有确凿的证据证明：存在一种被称为双密度波的物质状态，大约50年前由理论家首次预测，在他们发表在《自然》期刊上的研究结果显示：在一种著名的铋基氧化铜超导体中，这一相与超导电性共存。


领导这项研究的布鲁克海文实验室的物理学家藤田和弘说：这是第一个直接的光谱证据，证明在零磁场下存在这对密度波。研究已经确认，对密度波在这种材料中起着重要作用。研究结果表明：物质的这两种状态（对密度波和超导电性）共存并相互作用。研究团队的结果来自于使用布鲁克海文绿洲实验室，最先进光谱成像扫描隧道显微镜(SI-STM)测量单电子的隧道光谱。测量的是当研究人员改变样品和超导电极尖端之间的能量(电压)时：


在给定位置有多少电子从样品表面‘隧道’到SI-STM的超导电极尖端，反之亦然。通过这些测量，可以绘制出晶格和电子状态密度，以及在给定位置的电子数量。当材料不是超导时，电子存在于一个连续的能谱上，每个能谱都以自己独特的波长传播。但当温度下降时，电子开始相互作用，当材料进入超导状态时配对。当这种情况发生时，科学家们观察到能谱中的一个缺口，这是由于在那个特定的能量范围内没有电子造成。


图示：铜氧化物（铜酸盐）超导体中各个电子的结合能（或超导能隙），通过敏感的显微镜在整个表面上扫描来测量。围绕单个原子的蓝色和黄色斑点的大小（带箭头的红色棒表示其自旋方向）指示了能隙的大小（斑点越大，间隙越大，在该位置的电子对结合越强）。


能隙的能量，等于打破电子对所需的能量（这告诉科学家们它们是多么紧密地结合在一起）。当科学家们扫描材料表面时，检测到了空间调制的能隙结构。能隙中的这些调制，揭示了电子结合强度的变化（增加到最大，然后下降到最小）这种模式在规则排列的晶格表面每八个原子重复一次。这项研究建立在之前的测量基础上，表明隧道进入显微镜的电子，对产生的电流也以同样的周期性方式变化。


电流中的这些调制是第一个证据，尽管有些间接的，证明了双密度波的存在。成对电子电流的调制，是电子表面成对程度存在调制的指标。但这一次，通过测量单个电子的能谱，研究成功地直接测量了发生成对光谱中的调制间隙。这些间隙大小的调制，是存在成对密度波态的直接光谱证据。新研究结果还包括对密度波其他关键特征的证据（包括被称为“半涡”的缺陷）以及它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另一项研究，该研究表明存在电和磁特性的调制模式（有时被称为“条纹”）在某些高Tc铜酸盐超导体中也存在以8个单元为周期的调制模式。综上所述，这些发现表明，对密度波在这些材料的超导性能中发挥着重要作用。了解这种状态可能有助于理解复杂的相图，该相图描绘了超导属性在不同条件下是如何出现的，包括温度、磁场和载流子密度。


博科园｜研究/来自：布鲁克海文国家实验室
参考期刊《自然》
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