研究人员揭示了高温超导体中的隐藏电磁波

在此渲染图中，前所未有的磁激励在高温超导体上波动，这是共振非弹性X射线散射技术首次揭示出来的。通过测量入射的X射线束撞击这些量子纹波并反弹时的精确能量变化（蓝色箭头）（红色箭头），科学家发现了整个LSCO相图中存在的激发。

Brookhaven国家实验室的最新研究表明，非超导和超导材料中都存在磁激励，这是许多人认为可以调节高温超导体的量子波。

纽约州厄普顿—内在的低效率困扰着当前的发电和输电系统，在运输过程中损失了大量能源。高温超导体（HTS）在冷却至零度以下温度时具有零损耗的独特传输能力，可以彻底改变地球的老化过程，并改变能源基础设施的不完善，但是卓越的材料从根本上使物理学家感到困惑。为了释放高温超导技术的真正潜力，科学家必须在量子级迷宫中导航并查明现象的根源。

现在，美国能源部（DOE）布鲁克黑文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）和其他合作机构的科学家发现了高温超导磁性的惊人变化，从而挑战了一些领先的理论。在一项于2013年8月4日在线发表在《自然材料》杂志上的新研究中，科学家们发现，非超导和超导材料中都存在意想不到的磁激发（许多人认为是调节HTS的量子波）。

Brookhaven Lab的物理学家，新论文的主要作者马克·迪恩（Mark Dean）说：“这是一个主要的实验线索，说明哪些磁激发对高温超导性很重要。”“尖端的X射线散射技术使我们能够看到以前被认为基本上是非磁性的样品中的激发。”

在原子尺度上，电子自旋-有点像指向特定方向的细条状磁铁-在整个磁性材料中彼此迅速相互作用。当一个自旋旋转时，这种干扰会以波的形式传播通过材料，使相邻电子的自旋倾斜并对齐。许多研究人员认为，这种微妙的激发波可以将电子束缚在一起，从而形成高温超导体的理想电流传输，而高温超导体的工作温度比传统的超导性稍高。

迪恩说：“证明或反驳这一假设仍然是凝聚态物理研究的圣地之一。”“这项发现为我们提供了一种评估HTS竞争对手理论的新方法。”

完美涂料

超导性要求极端寒冷的条件和精确的化学配方。除了从元素周期表中选择合适的元素之外，物理学家还通过称为掺杂的过程仔细调整了原子的电子含量。掺杂决定了每个原子中存在的平均电子数量，进而决定了自旋波的行为和高温超导体的存在，高温超导体的出现围绕着一个特定的掺杂最佳点。

在这项研究中，研究小组检查了镧，锶，铜和氧的薄膜-通常缩写为LSCO。可以对这些特殊的HTS材料进行调整，以表现出各种不同的电子行为。

布鲁克海文物理学家约翰·希尔说：“这是使我们能够检查整个相图的唯一系统，从强相关的绝缘体一直到非超导金属。”“我们可以在超导的理想掺杂水平之前和之后测量磁激励。”

为了生长这些材料，布鲁克海文实验室的物理学家伊凡·博佐维奇（Ivan Bozovic）（该研究的另一位作者）使用了定制的原子层逐层分子束外延机（ALL-MBE）。Bozovic的系统具有独特的功能，可以实时监控LSCO薄膜的合成，从而使他能够无与伦比地控制每一层的原子组成，包括调整掺杂水平。

希尔说：“伊凡（Ivan）成长了这些美丽而神奇的电影。”“他的样品高度均匀，具有平坦的镜面状表面。当试图确定这些样本如何散射X射线的微妙之处时，这将极大地帮助您。”

测量量子海

量子波纹本身的波长以埃为单位，小于十亿分之一米。为了检测这些微小的波动，科学家将一种称为共振非弹性X射线散射（RIXS）的技术应用于整个LSCO薄膜。测量是通过法国欧洲同步辐射器（ESRF）的高级X射线发射光谱仪进行的。该仪器的设计，制造和调试由意大利米兰理工大学的Giacomo Ghiringhelli和Lucio Braicovich以及ESRF的Nick Brookes领导。Brookhaven实验室团队与这些科学家紧密合作，进行了RIXS测量。

迪恩说：“该仪器使我们能够精确测量X射线撞击每个LSCO样品时损失的能量。”“然后我们可以查明是否存在磁激励，并在所有不同的掺杂水平上跟踪它们。”

早期使用中子散射的研究发现，在过量掺杂的LSCO样品中，磁激励似乎消失了，这支持了波在超导性中起重要作用的著名理论。但是，RIXS技术对具有特定波长的磁激发更为敏感，并且能够检测原本无法察觉的信号。

希尔说：“发现不依赖于掺杂水平的激发，意味着高温超导和这些薄膜中的波之间的关系比我们所怀疑的更加复杂。”

光束更亮，超导体更好

RIXS目前能够以大约100毫电子伏特的精度或能量分辨率检测磁激发。但是，随着科学家寻求更多的基本现象，就需要更高的准确性和灵敏度。布鲁克海文实验室的国家同步加速器光源II（NSLS-II）预计将于2015年开始运行，它将产生世界上最明亮的X射线。NSLS-II正在建造的软非弹性X射线束线有望为HTS研究提供前所未有的能量分辨率。

“最终，RIXS的能量分辨率仍然不如我们想要的好，” Dean说。“对于超导游戏，NSLS-II将会非常庞大​​，这绝对是巨大的。我们将能够看到10毫电子伏特以下的激励，并且那里应该隐藏着真正的突破。”

解决高温超导之谜可以从根本上改善从风力涡轮机到医学成像设备的技术。但是，要操纵高温超导材料中可能的完美电传输并使其达到室温，理论家必须将这些实验结果转化为普遍适用的规则。

希尔说：“开玩笑的是，HTS实际上已经解决了，但我们只是不知道众多竞争理论中哪一个是正确的。”“我们的发现实际上是由几个小组预测的，我们很高兴看到他们跨越结果，并推动我们向前迈进。这项工作从根本上是有趣的，是的，但是潜在的应用程序确实令人兴奋。”

这项研究是由布鲁克海文实验室的新兴超导中心资助的，这是一个由美国能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心，旨在了解复杂材料中超导的基本本质。

美国能源部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。

出版物：M. P. M. Dean等人，“ La2xSrxCuO4中从未掺杂的绝缘体到严重−过量掺杂的非超导金属的磁激发的持久性”，Nature Materials，2013年； doi：10.1038 / nmat3723

图像：布鲁克黑文国家实验室