超导和电荷密度波在纳米尺度上交织在一起

超导和电荷密度波在纳米尺度上交织在一起

室温超导体可以改变从电网到粒子加速器再到计算机的一切——但在实现它们之前,研究人员需要更好地了解现有的高温超导体是如何工作的。

超导和电荷密度波在纳米尺度上交织在一起

该团队将红外激光脉冲对准 YBCO 样品以关闭其超导状态,然后使用 X 射线激光脉冲照亮样品并检查从样品散射的 X 射线光。他们的结果表明,超导和电荷密度波区域以意想不到的方式排列。 Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

现在,来自能源部 SLAC 国家加速器实验室、不列颠哥伦比亚大学、耶鲁大学和其他机构的研究人员通过研究一种叫做钇钡铜氧化物 (YBCO) 的材料的快速动力学,朝着这个方向迈出了一步。

该团队在 5 月 20 日的《科学》杂志上报道说,YBCO 的超导性以意想不到的方式与另一种称为电荷密度波 (CDW) 的现象或材料中电子密度的涟漪交织在一起。正如研究人员预期的那样,当关闭 YBCO 的超导性时,CDW 会变得更强。然而,他们惊讶地发现 CDW 也突然变得更有空间组织,这表明超导性在某种程度上从根本上塑造了纳米级 CDW 的形式。

“我们不知道的很大一部分是电荷密度波和超导性之间的关系,”领导这项研究的能源部 SLAC 国家加速器实验室的科学家 Giacomo Coslovich 说。 “作为可以生长的最清洁的高温超导体之一,YBCO 为我们提供了以非常直接的方式了解这一物理学的机会,从而最大限度地减少了无序的影响。”

他补充说:“如果我们能够更好地了解这些材料,我们就可以制造出在更高温度下工作的新型超导体,从而实现更多应用,并有可能应对许多社会挑战——从气候变化到能源效率再到淡水供应。”

超导和电荷密度波在纳米尺度上交织在一起

Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室。艺术家对红外激光猝灭电荷密度波的渲染。

观察快速动态

研究人员在 SLAC 的直线加速器相干光源 (LCLS) X 射线激光器上研究了 YBCO 的动力学。他们用红外激光脉冲关闭了 YBCO 样品中的超导性,然后将 X 射线脉冲从这些样品上反射回来。对于每张 X 射线照片,该团队都会拼凑出 CDW 电子波纹的一种快照。通过将这些粘贴在一起,他们重现了 CDW 的快速演变。

“我们在 LCLS 进行了这些实验,因为我们需要超短脉冲 X 射线,而这种脉冲可以在世界上极少数地方进行。我们还需要波长比典型 X 射线更长的软 X 射线来直接检测 CDW,”科学家和研究合著者 Joshua Turner 说,他也是斯坦福材料与能源研究所的研究员科学。 “另外,与 LCLS 的人一起工作真的很棒。”

这些 LCLS 实验产生了数 TB 的数据,这对处理来说是一个挑战。 “使用数小时的超级计算时间,LCLS 光束线科学家将我们的海量数据组合成更易于管理的形式,因此我们的算法可以提取特征特征,”不列颠哥伦比亚大学研究生和合著者孟兴 (Ketty) Na 说在项目上。

研究小组发现,在激光关闭超导性后,YBCO 样品中的电荷密度波变得更加相关——也就是说,更多的电子波纹是周期性的或空间同步的。

“与闪光相关的波数量翻倍是非常显着的,因为光通常会产生相反的效果。如果我们用力过猛,我们可以使用光来完全打乱电荷密度波,”科斯洛维奇说。

为了解释这些实验观察结果,研究人员随后模拟了 CDW 区域和超导性应该如何相互作用,并给出了关于 YBCO 工作原理的各种基本假设。例如,他们的初始模型假设当用光关闭时,一个均匀的超导区域会变成一个均匀的 CDW 区域——但这当然与他们的结果不符。

“迄今为止,最适合我们数据的模型表明,超导性就像波浪模式中的缺陷一样。这表明超导性和电荷密度波喜欢以非常特定的纳米级方式排列,”Coslovich 解释说。 “它们在波浪本身的长度尺度上是相互交织的。”

照亮未来

Coslovich 说,能够用光脉冲关闭超导性是一项重大进步,可以在不到万亿分之一秒的时间尺度上进行观测,与以前的方法相比具有重大优势。

“当您使用其他方法时,例如施加高磁场,您必须等待很长时间才能进行测量,因此 CDW 会围绕无序重新排列,并且样品中可能会发生其他现象,”他说。 “使用光使我们能够证明这是一种内在效应,是超导性和电荷密度波之间的真正联系。”

特纳说,研究团队很高兴能够扩展这项关键工作。首先,他们想研究当用光关闭超导性时,CDW 是如何变得更有组织的。他们还计划在未来的 LCLS 实验中调整激光的波长或偏振,希望也可以使用光来增强而不是淬灭超导状态,这样他们就可以轻松地关闭和打开超导状态。

Coslovich 说:“尝试在非常快的时间尺度上使用光脉冲来实现这一点总体上很感兴趣,因为这可能会导致开发用于新一代电子和计算的超导光控设备。” “最终,这项工作还可以帮助指导那些试图制造室温超导体的人。”

这项研究是来自 LCLS、SLAC 的斯坦福同步辐射光源 (SSRL)、UBC、耶鲁大学、加拿大国家科学研究所、北卡罗来纳州立大学、布雷西亚天主教大学和其他机构的研究人员合作的一部分。这项工作部分由美国能源部科学办公室资助。 LCLS 和 SSRL 是美国能源部科学办公室用户设施。

文章由美国能源部 (DOE) SLAC 国家加速器实验室提供

来源: CleanTechnica

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