为了理解高温超导，科学家让它消失了

Brookhaven Lab的物理学家（从左到右）是OASIS的Genda Gu，Tonica Valla和Ilya Drozdov，这是一种新的现场实验机，用于生长和表征氧化物薄膜，例如一类高温超导体（HTS）被称为铜币。与传统的超导体相比，高温超导能够在更高的温度下进行导电而无阻力。该团队利用OASIS的独特功能，使铜酸盐样品中的超导性消失，然后重新出现，以了解现象的根源。

当同时进行多个流程时，建立因果关系很困难。对于一类称为铜酸盐的高温超导体，这种情况适用。这些铜-氧化合物发现于近35年前，在某些条件下可以导电而无阻力。必须对它们进行化学修饰（“掺杂”），并将其引入电子或空穴（电子空位）到氧化铜层中，并冷却至低于100开尔文（280华氏度）−的温度-比传统超导体所需的温度高得多。但是，确切地说，电子如何克服它们的相互排斥并配对以在这些材料中自由流动仍然是凝聚态物理中最大的问题之一。高温超导性（HTS）是由于电子之间强烈的相互作用而发生的许多现象之一，因此很难确定其来源。

这就是为什么美国能源部（DOE）布鲁克黑文国家实验室的物理学家研究一种著名的含有由氧化铋，氧化锶，钙和氧化铜（BSCCO）制成的层的铜酸盐的原因，他们决定将注意力集中在不太复杂的“超掺杂”方面，对材料进行了如此大量的掺杂，以至于超导最终消失了。正如他们在2020年1月29日发表在《自然通讯》上的一篇论文中所报道的那样，这种方法使他们能够确定纯电子交互可能导致HTS。

Brookhaven实验室凝聚态物质电子光谱小组的物理学家第一作者Tonica Valla解释说：“铜酸盐中的超导性通常与电荷或自旋的周期性排列并存有许多其他现象，这些现象可能与超导性竞争或辅助超导性竞争，使情况复杂化。”物理与材料科学系。“但是这些现象随着掺杂而减弱或完全消失，只剩下超导性。因此，这是研究超导起源的理想区域。我们的实验发现了BSCCO中电子之间的相互作用，这种相互作用使超导性与一对一相关。超导电性正是在这种相互作用首次出现时出现的，并随着相互作用的增强而变得更强。”

直到最近，才有可能在超导性消失之前对铜酸盐样品进行过量掺杂。先前，材料的块状晶体将在高压氧气中退火（加热）以增加氧气（掺杂剂材料）的浓度。Valla和其他Brookhaven科学家在一年前在OASIS（一种用于样品制备和表征的新现场仪器）上首次展示了这种新方法，该方法使用臭氧代替氧气对裂解的样品进行退火。劈开是指在真空中破碎晶体以产生完美平坦和干净的表面。

该研究机构氧化物分子束外延（OMBE）组的物理学家伊利亚·德罗兹多夫（Ilya Drozdov）解释说：“臭氧的氧化能力或其接受电子的能力比分子氧要强得多。”“这意味着我们可以将更多的氧气带入晶体，从而在发生超导的氧化铜平面上产生更多的空穴。在OASIS，我们可以将材料的表面层一直掺杂到非超导区域，并研究由此产生的电子激发。”

OASIS将用于生长氧化物薄膜的OMBE系统与角度分辨光发射光谱（ARPES）和光谱成像-扫描隧道显微镜（SI-STM）仪器相结合，用于研究这些薄膜的电子结构。在这里，可以使用相同的连接的超高真空系统来生长和研究材料，以避免氧化和被大气中的二氧化碳，水和其他分子污染。由于ARPES和SI-STM是非常敏感的表面技术，因此原始表面对于获得准确的测量至关重要。

在这项研究中，合作者中子散射中子小组的物理学家古达·古达（Genda Gu）生长了块状BSCCO晶体。Drozdov在OASIS的OMBE室中对臭氧中分裂的晶体进行了退火处理，以增加掺杂，直到超导性完全消失。然后将同一样品在真空中退火，以逐渐减少掺杂并提高超导出现时的转变温度。Valla通过ARPES在此掺杂温度相图中分析了BSCCO的电子结构。

Valla说：“ ARPES为您提供任何材料的电子结构的最直接的图像。”“光激发样品中的电子，并通过测量它们的能量和逸出的角度，您可以在它们仍在晶体中时重新产生电子的能量和动量。”

在测量这种能量与动量的关系时，Valla在电子结构中检测到了跟随超导转变温度的扭结（异常）。随着温度的升高，扭结变得更加明显，并转移到更高的能量，超导性变得更强，但在超导状态之外消失。根据这些信息，他知道，形成超导所需的电子对的相互作用不可能像传统超导体那样是电子-声子耦合。根据该理论，声子或晶格中原子的振动通过交换动量和能量，对否则排斥的电子起吸引力的作用。

瓦拉说：“我们的结果使我们可以排除电子与声子的耦合，因为晶格中的原子可以振动，而电子可以与这些振动相互作用，而与材料是否超导无关。”“如果涉及声子，我们期望扭结处于超导状态和正常状态，并且扭结不会随着掺杂而改变。”

研究小组认为，在这种情况下，发生了类似于电子-声子耦合的事情，但是电子之间交换了另一种激发，而不是声子。看来电子正在通过自旋涨落相互作用，这与电子本身有关。自旋涨落是电子自旋的变化，或者是电子作为微小磁体向上或向下指向的方式。

此外，科学家发现，扭结的能量小于自旋涨落谱中出现尖锐峰（共振）的特征能量。他们的发现表明，自旋波动的开始（而不是共振峰）是观察到的扭结的原因，并且可能是将电子结合到HTS所需的电子对中的“胶水”。

接下来，研究小组计划通过获取SI-STM测量值来收集表明自旋波动与超导性相关的其他证据。他们还将对另一种著名的铜酸盐镧锶铜氧化物（LSCO）进行类似的实验。

瓦拉说：“我们第一次看到与超导性密切相关的东西。”“这些年来，我们现在对BSCCO以及其他铜酸盐中可能引起超导的原因有了更好的了解。”

参考：T. Valla，I.K。Drozdov和G.D. Gu于2020年1月29日在Nature Communications.DOI上发表的论文《超导Bi2Sr2CaCu2O8 +中耦合消失导致超导消失。
10.1038 / s41467-020-14282-4

布鲁克黑文国家实验室得到了美国能源部科学办公室的支持。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并且致力于解决当今时代最紧迫的挑战。