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研究提出了用光触发室温超导的新可能性

已有 3434 次阅读 2022-2-14 20:52 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

研究提出了用光触发室温超导的新可能性

诸平

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Fig. 1 To study superconducting materials in their “normal,” non-superconducting state, scientists usually switch off superconductivity by exposing the material to a magnetic field, left. SLAC scientists discovered that turning off superconductivity with a flash of light, right, produces a normal state with very similar fundamental physics that is also unstable and can host brief flashes of room-temperature superconductivity. These results open a new path toward producing room-temperature superconductivity that’s stable enough for practical devices. Credit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

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Fig. 2 SLAC staff scientist Jun-Sik Lee (Jun-Sik Lee/SLAC National Accelerator Laboratory) 

据美国SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory 202229日提供的报道,为了研究处于“正常”非超导状态的超导材料,科学家通常会将材料暴露在磁场中,从而关闭超导性。SLAC的科学家们发现,用一束闪光来关闭超导,会产生一种具有非常相似的基础物理的正常状态,这种状态也是不稳定的,并且会有短暂的室温超导闪光。这些结果为生产足够稳定的室温超导器件开辟了一条新途径(Study raises new possibilities for triggering room-temperature superconductivity with light)。可以参见SLAC国家加速器实验室格雷格·斯图尔特(Greg Stewart)提供的照片(Fig.1)。

就像人们可以了解更多关于自己,走出自己的舒适区,研究人员可以了解更多关于系统用震动使它有点不稳定,科学家称之为“偏离平衡(out of equilibrium)”,观察当它回到一个更稳定的状态时会发生什么。

在超导材料的情况下称为钇钡铜氧化物(yttrium barium copper oxide简称YBCO,实验表明,在一定条件下,用一束激光脉冲照射使其偏离平衡,允许其超导,使电流无障碍通过,比研究人员预期的更接近室温。考虑到科学家们30多年来一直在研究室温超导体,这可能是一件大事。

但是,对这种不稳定状态的观察是否对高温超导体在现实世界中的工作有任何影响?在现实世界中,电力线、磁悬浮列车、粒子加速器和医疗设备等应用都要求它们保持稳定? 202229日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一项研究表明,答案是肯定的。详见:Hoyoung Jang, Sanghoon Song, Takumi Kihara, Yijin Liu, Sang-Jun Lee, Sang-Youn Park, Minseok Kim, Hyeong-Do Kimgia, Como Coslovich, Suguru Nakata, Yuya Kubota, Ichiro Inoue, Kenji Tamasaku, Makina Yabashi, Heemin Lee, Changyong Song, Hiroyuki Nojiri, Bernhard Keimer, Chi-Chang Kao, Jun-Sik Lee. Characterization of photoinduced normal state through charge density wave in superconducting YBa2Cu3O6.67Science Advances, 9 Feb 2022, 8(6). DOI: 10.1126/sciadv.abk0832http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk0832

 “人们认为,尽管这类研究很有用,但对未来的应用前景并不看好,”美国能源部SLAC国家加速器实验室(Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory)的工作人员、开展这项研究的国际研究团队的负责人李俊植(Jun-Sik Lee, Fig. 2), “但现在我们已经证明,这些不稳定状态的基本物理与那些稳定状态非常相似。因此,这打开了巨大的机会,包括其他材料也可以通过光进入瞬态超导状态的可能性。这是一种有趣的状态,我们看不到其他方式。”

正常是什么样子的?( What does normal look like?)

YBCO是一种氧化铜化合物或称酮酸盐(cuprate),是1986年发现的一种材料家族中的一员,这种材料可以在比科学家想象的更高的温度下实现零电阻导电。

70多年前发现的传统超导体一样,YBCO在冷却到一定的转变温度以下时,会从正常状态切换到超导状态。在这一点上,电子配对并形成凝聚态——一种电子汤(electron soup)——可以毫不费力地导电。科学家们有一个可靠的理论来解释这种现象是如何在老式超导体中发生的,但对于它如何在YBCO这样的非常规超导体中起作用还尚未达成共识。

解决这个问题的一种方法是研究YBCO的正常状态(study the normal state),这本身就很奇怪。正常状态包含许多复杂的、相互交织的物质相,每一种都有可能帮助或阻碍向超导的转变,它们争夺主导地位,有时还会重叠。更重要的是,在某些相中,电子似乎可以相互识别并集体行动,就好像它们在拖着彼此。

这是一个真正的混乱,研究人员希望更好地理解它,将阐明这些材料是如何和为什么在温度远高于传统超导体的理论极限的情况下成为超导的。在温暖的温度下很难探索这些迷人的正常状态,所以科学家们通常会将YBCO样品冷却到超导状态,然后关闭超导状态以恢复正常状态。这种开关通常是通过将材料暴露在磁场(exposing the material to a magnetic field)中来实现的。这是一种最受欢迎的方法,因为它使材料保持稳定的配置——这种配置是创建一个实用设备所需要的。

李俊植说,超导性也可以用光脉冲来关闭。这就创造了一个有点不平衡的正常状态——平衡外(out of equilibrium)——从科学的角度来看,有趣的事情会发生。但它不稳定的事实让科学家们不敢假设他们在那里学到的任何东西也可以应用于稳定的材料,比如实际应用所需的材料。

保持不变的波(Waves that stay put

在这项研究中,李俊植和他的合作者比较了两种磁场和光脉冲开关方式,重点研究了它们如何影响一种被称为电荷密度波(charge density waves简称CDWs)的特殊物质相,CDWs出现在超导材料中。CDWs是高电子密度和低电子密度的波状模式,但与海浪不同的是,它们不会四处移动。

二维CDWs2012年被发现,2015年李俊植和他的合作者发现了一种新的3D类型的CDW。这两种类型都与高温超导密切相关,它们可以作为超导开启或关闭的过渡点的标志。为了比较YBCOCDWs在光和磁作用下的超导性,研究小组在三个X射线光源下进行了实验。

首先,他们在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource简称SLAC's SSRL)上测量了未受扰动材料的性质,包括其电荷密度波。

然后,材料的样品在日本的SACLA同步加速器设施中暴露在强磁场中,在韩国的浦项加速器实验室(Pohang Accelerator Laboratory简称PAL)的X射线自由电子激光器(X-ray free-electron laser简称XFEL)中暴露在激光下,这样就可以测量它们的CDWs变化。

“这些实验表明,将样品暴露在磁场或激光束下会产生类似的CDWs3D模式,”SLAC的工作人员、上述研究的合著者宋祥勋(Sanghoon Song)说。他说,虽然目前还不清楚这是如何以及为什么发生的,但研究结果表明,这两种方法诱发的状态具有相同的基本物理特性。他们认为,激光可能是一种创造和探索瞬态的好方法,这种瞬态可以在实际应用中稳定下来——可能包括室温超导。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

研究人员揭示了铜酸盐中超导跃迁的第四个特征(Researchers reveal the fourth signature of the superconducting transition in cuprates

Abstract

The normal state of high-Tc cuprates has been considered one of the essential topics in high-temperature superconductivity research. However, compared to the high magnetic field study of it, understanding a photoinduced normal state remains elusive. Here, we explore a photoinduced normal state of YBa2Cu3O6.67 through a charge density wave (CDW) with time-resolved resonant soft x-ray scattering, as well as a high magnetic field x-ray scattering. In the nonequilibrium state where people predict a quenched superconducting state based on the previous optical spectroscopies, we experimentally observed a similar analogy to the competition between superconductivity and CDW shown in the equilibrium state. We further observe that the broken pairing states in the superconducting CuO2 plane via the optical pump lead to nucleation of three-dimensional CDW precursor correlation. Ultimately, these findings provide a critical clue that the characteristics of the photoinduced normal state show a solid resemblance to those under magnetic fields in equilibrium conditions.




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1 郑永军

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