伊利诺伊大学利用自由电子激光器观察电荷条纹与超导体相互作用

与传统超导材料相比，高温超导体在温度高得多的条件下，承担着零电阻导的电。自从30多年前被发现以来，由于其在磁悬浮列车和长距离电线等技术上具有革命性的潜力，使得人们对高温超导体产生了极大的兴趣，但是科学家们仍然不明白高温超导体的原理是什么。其中一个谜团是，电荷密度波（在材料中运行的电子密度高低的静态条纹）已经在高温超导体的主要家族之一铜基铜酸盐中发现。但这些电荷条纹是增强超导性，抑制超导性，还是起到了其他作用？在独立研究中，两个研究小组报告了在理解电荷条纹如何与超导相互作用方面取得的重要进展。这两项研究都是在美国能源部SLAC国家加速器实验室用x射线进行的。

在发表于《科学进展》期刊上的研究论文中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)研究人员利用SLAC的Linac相干光源(LCLS) x射线自由电子激光器，观察了铜超导体中电荷密度波的波动。

用传统激光的脉冲干扰电荷密度波，然后使用x射线共振非弹性散射(RIXS)，观察这些波在几万亿分之一秒内的恢复，这个恢复过程遵循一个普遍的动态缩放定律：在所有的尺度上都是相同的，就像分形图案在放大或缩小时看起来是一样的。有了LCLS，科学家们第一次能够精确地测量电荷密度波波动的距离和速度。令人惊讶的是，研究小组发现，波动并不像铃声或蹦床的弹跳；相反，它们更像是糖浆的缓慢扩散：一种在固体中从未见过的液晶行为的量子模拟。

美国伊利诺伊大学香槟分校彼得·阿巴蒙特教授团队的博士后研究员马泰奥·米特拉诺(Matteo Mitrano)说：我们在LCLS的实验建立了一种研究电荷密度波波动的新方法，这可能促使对高温超导体如何工作的新理解产生。这个团队还包括来自斯坦福大学、美国国家标准与技术研究所和布鲁克海文国家实验室的研究人员。发表在《自然通讯》上的另一项研究，利用斯坦福大学同步加速器辐射光源的x射线，发现了两种电荷密度波的排列方式，在这些波与高温超导之间建立了新的联系。

在SLAC科学家李俊锡(Jun-Sik Lee)的带领下，研究小组利用共振软x射线散射(RSXS)来观察温度如何影响铜超导体中的电荷密度波。这解决了之前实验数据的不匹配问题，并为全面绘制这些奇异超导材料中电子行为的图谱开辟了新道路。相信，探索新的或隐藏排列方式，以及它们相互交织的现象，将有助于我们对铜酸盐高温超导性的理解，这将为研究人员设计和开发在更高温度下工作的新超导体提供信息。