电子(或“空穴”)对可以存活以消除超导性

科学家们试图了解“条纹有序”铜酸盐中超导电性的机制 - 具有电荷和磁性交替区域的铜氧化物材料 - 在试图转变超导性时发现了一种不寻常的金属状态。他们发现,在他们的实验条件下,即使在材料失去其承载电流而没有能量损失的能力之后,它仍保留一些导电性 - 并且可能保留其超导超级电源所需的电子(或空穴)对。

美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家约翰特兰夸达说:“这项工作提供了间接证据,表明电荷和磁性的条纹排列有利于形成超导所需的电荷 - 载流子对。”

Tranquada和他的共同作者来自布鲁克海文实验室和佛罗里达州立大学的国家高磁场实验室,其中一些工作已经完成,他们在刚刚发表在Science Advances上的论文中描述了他们的发现。“共同作者:布鲁克海文实验室理论家阿列克谢·齐维克”(Alexei Tsvelik)在“美国国家科学院院刊”上发表了一篇相关论文,深入探讨了观察的理论基础。

科学家们正在研究一种特殊的镧钡铜氧化物(LBCO)配方,它在40开尔文(-233摄氏度)的温度下具有不寻常的超导性。这在超导体领域相对温暖。传统的超导体必须用液氦冷却到接近-273°C(0开尔文或绝对零度)的温度,以便在没有能量损失的情况下传输电流。了解这种“高温”超导性背后的机制可能会指导在较高温度下运行的超导体的发现或战略设计。

“原则上,这种超导体可以通过零能量损耗输电线改善电力基础设施,”Tranquada说,“或者用于强大的电磁铁,用于磁共振成像(MRI)等应用,而无需昂贵的冷却。”

高Tc之谜

LBCO是33年前发现的第一个高温(高Tc)超导体。它由由镧和钡组成的层分开的氧化铜层组成。钡对氧化铜层的贡献比镧少,因此在特定的比例下,不平衡会在铜酸盐平面中留下电子空位,称为空穴。这些孔可以充当电荷载体并且像电子一样配对,并且在低于30K的温度下,电流可以穿过材料而在三维中没有电阻 - 在层内和层之间。

该材料的一个奇怪特征是,在氧化铜层中,在特定的钡浓度下,空穴偏析成与磁性排列区域交替的“条纹”。自1995年这一发现以来,关于这些条纹在诱导或抑制超导性中的作用一直存在很多争论。

2007年,Tranquada和他的团队在40K的较高温度下发现了这种材料中最不寻常的超导形式。如果他们将钡的含量改变到允许3-D超导性的量之下,他们就会观察到2-D超导性 - 这意味着只是在氧化铜层内,而不是在它们之间。

“超导层似乎彼此分离,”理论家Tsvelik说道。电流仍然可以在层内的任何方向上流动而没有损失,但是在垂直于层的方向上存在电阻率。该观察被解释为电荷 - 载体对形成“对密度波”的标志,其中相对层中的取向彼此垂直。“这就是为什么这些对不能从一层跳到另一层。这就像试图合并到沿垂直方向移动的交通。它们不能合并,”Tsvelik说。

超导条纹难以杀死

在新的实验中,科学家们通过试图破坏LBCO的特殊配方,更深入地研究了不寻常的超导性的起源。“我们经常通过推动它们失败来测试事物,”Tranquada说。他们的破坏方法是将材料暴露在佛罗里达州产生的强大磁场中。

“随着外场变大,超导体中的电流越来越大,试图抵消磁场,”Tranquada解释道。“但是没有阻力的电流是有限的。找到这个极限应该可以告诉我们超导体的强度。”

例如,如果LBCO中的电荷顺序和磁性条纹对超导性不利,则适度的磁场应该破坏它。“我们认为这些电荷可能会冻结在条纹中,这样材料就会变成绝缘体,”Tranquada说。

但超导性变得更加强大。

使用由Brookhaven物理学家Genda Gu生长的完美LBCO晶体,在Tranquada实验室工作的博士后Yangmu Li在国家高磁场实验室的各种条件下测量了材料的电阻和电导率。在刚好高于绝对零度且没有磁场的温度下,该材料表现出完全的3-D超导性。保持温度恒定,科学家不得不显着提高外部磁场,使三维超导性消失。更令人惊讶的是,当他们进一步增加场强时,氧化铜平面内的阻力再次下降到零!

“我们看到了我们在40K时发现的相同的二维超导性,”Tranquada说。

夯实场地进一步破坏了二维超导性,但它从未完全破坏了材料承载普通电流的能力。

“阻力增长但随后趋于平稳,”Tranquada指出。

持久对的迹象?

Tranquada说,在最高磁场下进行的额外测量表明,材料中的电荷载体虽然不再是超导的,但仍然可以成对存在。

“这种材料变成了一种不再使电流偏转的金属,”Tsvelik说。“每当你在磁场中产生电流时,你会发现电荷在垂直于电流的方向上有一些偏转 - 电子或空穴[科学家称之为霍尔效应]。但事实并非如此。没有偏转。“

换句话说,即使在超导性被破坏之后,该材料仍保持作为超导状态特征的“对密度波”的关键特征之一。

“我的理论将富电荷条纹的存在与它们之间的磁矩存在形成对​​密度波状态联系起来,”Tsvelik说。“在高场下观察到没有电荷偏转,这表明磁场可以破坏超导所需的相干性,而不必破坏对密度波。”

“这些观察结果共同提供了条纹有利于配对的额外证据,”Tranquada说。“我们看到二维超导在高场再现,然后,在更高的场,当我们失去二维超导性时,材料不仅仅成为绝缘体。还有一些电流流动。我们可能已经失去了条纹之间成对的连贯运动,但我们可能仍然在条纹内部有一对可以不相干地移动并给我们一种不寻常的金属行为。“

这项工作由美国能源部科学办公室资助。佛罗里达州立大学的国家高磁场实验室得到了美国国家科学基金会的支持。