科學(xué)家揭示了氧化銅化合物中高溫超導(dǎo)的起源

自1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物(稱為銅酸鹽)的高溫超導(dǎo)性以來，科學(xué)家們一直試圖了解這些材料如何在比常規(guī)超導(dǎo)體所需的超冷溫度高幾百度的溫度下無電阻地導(dǎo)電。尋找這種奇異行為背后的機制可能為在室溫下變?yōu)槌瑢?dǎo)的工程材料鋪平道路。這種能力可以實現(xiàn)無損電網(wǎng)，更便宜的磁懸浮運輸系統(tǒng)和強大的超級計算機，并改變?nèi)蚰茉瓷a(chǎn)，傳輸和使用的方式。

現(xiàn)在，能源部(DOE)布魯克海文實驗室的物理學(xué)家解釋了為什么銅酸鹽變?yōu)槌瑢?dǎo)的溫度如此之高。在生長和分析數(shù)千個被稱為LSCO的銅酸鹽樣品(包含鑭，鍶，銅和氧)后，他們確定這個“臨界”溫度是由電子對的密度控制的-每單位面積的電子對。這一發(fā)現(xiàn)在8月17日出版的“ 自然”雜志上發(fā)表，對超導(dǎo)性的標(biāo)準(zhǔn)理論提出了挑戰(zhàn)，該理論認為臨界溫度取決于電子配對相互作用的強度。

“解決高溫超導(dǎo)的謎團已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理學(xué)30多年來的焦點，”布魯克海文實驗室凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)系的高級物理學(xué)家Ivan Bozovic說。“我們的實驗結(jié)果為解釋銅酸鹽中高溫超導(dǎo)的起源提供了基礎(chǔ) - 這需要一個全新的理論框架。”

我們的實驗結(jié)果為解釋銅酸鹽中高溫超導(dǎo)的起源提供了基礎(chǔ) - 這是一個需要全新理論框架的基礎(chǔ)。

根據(jù)Bozovic的說法，銅酸鹽如此難以研究的原因之一是因為需要精確的工程來生成僅含有高溫超導(dǎo)相的完美晶體樣品。

“這是一個材料科學(xué)問題。銅酸鹽每單位晶胞可以有多達50個原子，這些元素可以形成數(shù)百種不同的化合物，可能會產(chǎn)生不同相的混合物，“Bozovic說。

這就是為什么Bozovic和他的研究團隊通過使用定制設(shè)計的分子束外延系統(tǒng)來增加超過2500個LSCO樣品，該系統(tǒng)將單個原子逐層放置在基板上。該系統(tǒng)配備了先進的表面科學(xué)工具，例如吸收光譜和電子衍射的工具，可提供有關(guān)所得薄膜的表面形態(tài)，厚度，化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)的實時信息。

“監(jiān)測這些特性可確保我們的樣品中沒有任何不規(guī)則的幾何形狀，缺陷或沉淀，”Bozovic解釋道。

在設(shè)計LSCO薄膜時，Bozovic化學(xué)地添加了鍶原子，這些原子產(chǎn)生的移動電子在發(fā)生超導(dǎo)的氧化銅層中配對。這種“摻雜”工藝允許LSCO和其他銅酸鹽 - 通常是絕緣材料 - 變成超導(dǎo)體。

在這項研究中，Bozovic添加了超過誘導(dǎo)超導(dǎo)所需的興奮劑水平的鍶。早期對這種“過度摻雜”的研究表明，隨著摻雜濃度的增加，電子對的密度會降低?？茖W(xué)家試圖通過將其歸因于與超導(dǎo)電極競爭的不同電子指令或由晶格中的雜質(zhì)或無序引起的電子對斷裂來解釋這一令人驚訝的實驗結(jié)果。例如，他們曾認為幾何缺陷，例如被取代或缺失的原子，可能起作用。

為了測試這些解釋，Bozovic和他的團隊測量了他們的工程LSCO薄膜的磁性和電子特性。他們使用一種稱為互感的技術(shù)來確定磁穿透深度(磁場穿過超導(dǎo)體的距離)，這表明電子對的密度。

他們的測量結(jié)果確定了臨界溫度和電子對密度之間的精確線性關(guān)系：隨著添加更多摻雜劑，兩者都繼續(xù)減少，直到?jīng)]有電子完全配對，而臨界溫度下降到接近零的開爾文(零下459華氏度) 。根據(jù)對金屬和傳統(tǒng)超導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)理解，這一結(jié)果是出乎意料的，因為LSCO變得越來越金屬化，它越被過度摻雜。

“擾亂，相分離或電子對斷裂將通過引入阻礙電子流動的散射產(chǎn)生相反的效果，從而使材料更具電阻性，即金屬更少，”Bozovic說。

如果Bozovic的團隊認為臨界溫度受電子對密度控制是正確的，那么似乎小的局部電子對位于銅酸鹽變?yōu)槌瑢?dǎo)的高溫背后。先前的實驗已經(jīng)確定，在銅酸鹽中電子對的尺寸比在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中小得多，傳統(tǒng)的超導(dǎo)體的對很大以至于它們重疊。了解在銅酸鹽中電子對如此小的相互作用是尋求解決高溫超導(dǎo)性之謎的下一步。