終于證明：存在雙密度波的物質(zhì)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體或許不遠(yuǎn)了？

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多年來(lái)，物理學(xué)家一直試圖破譯高溫超導(dǎo)體的電子細(xì)節(jié)，高溫超導(dǎo)體材料可能會(huì)給能量傳輸和電子學(xué)帶來(lái)革命性的變化，因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)體能夠在冷卻到一定溫度以下時(shí)攜帶電流，而不會(huì)造成能量損失?！案逿c”超導(dǎo)體微觀電子結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，可以揭示不同的相（物質(zhì)狀態(tài)）是如何與超導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)或相互作用的，在這種狀態(tài)下，相同電荷的電子以某種方式克服了排斥力，配對(duì)并自由流動(dòng)。

研究的最終目標(biāo)是了解如何使這些材料在不需要過(guò)冷的情況下充當(dāng)超導(dǎo)體。現(xiàn)在，在美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，研究高Tc超導(dǎo)體的科學(xué)家們有確鑿的證據(jù)證明：存在一種被稱為雙密度波的物質(zhì)狀態(tài)，大約50年前由理論家首次預(yù)測(cè)，在他們發(fā)表在《自然》期刊上的研究結(jié)果顯示：在一種著名的鉍基氧化銅超導(dǎo)體中，這一相與超導(dǎo)電性共存。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家藤田和弘說(shuō)：這是第一個(gè)直接的光譜證據(jù)，證明在零磁場(chǎng)下存在這對(duì)密度波。研究已經(jīng)確認(rèn)，對(duì)密度波在這種材料中起著重要作用。研究結(jié)果表明：物質(zhì)的這兩種狀態(tài)（對(duì)密度波和超導(dǎo)電性）共存并相互作用。研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果來(lái)自于使用布魯克海文綠洲實(shí)驗(yàn)室，最先進(jìn)光譜成像掃描隧道顯微鏡(SI-STM)測(cè)量單電子的隧道光譜。測(cè)量的是當(dāng)研究人員改變樣品和超導(dǎo)電極尖端之間的能量(電壓)時(shí)：

在給定位置有多少電子從樣品表面‘隧道’到SI-STM的超導(dǎo)電極尖端，反之亦然。通過(guò)這些測(cè)量，可以繪制出晶格和電子狀態(tài)密度，以及在給定位置的電子數(shù)量。當(dāng)材料不是超導(dǎo)時(shí)，電子存在于一個(gè)連續(xù)的能譜上，每個(gè)能譜都以自己獨(dú)特的波長(zhǎng)傳播。但當(dāng)溫度下降時(shí)，電子開(kāi)始相互作用，當(dāng)材料進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)配對(duì)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，科學(xué)家們觀察到能譜中的一個(gè)缺口，這是由于在那個(gè)特定的能量范圍內(nèi)沒(méi)有電子造成。

圖示：銅氧化物（銅酸鹽）超導(dǎo)體中各個(gè)電子的結(jié)合能（或超導(dǎo)能隙），通過(guò)敏感的顯微鏡在整個(gè)表面上掃描來(lái)測(cè)量。圍繞單個(gè)原子的藍(lán)色和黃色斑點(diǎn)的大?。◣Ъ^的紅色棒表示其自旋方向）指示了能隙的大?。ò唿c(diǎn)越大，間隙越大，在該位置的電子對(duì)結(jié)合越強(qiáng)）。

能隙的能量，等于打破電子對(duì)所需的能量（這告訴科學(xué)家們它們是多么緊密地結(jié)合在一起）。當(dāng)科學(xué)家們掃描材料表面時(shí)，檢測(cè)到了空間調(diào)制的能隙結(jié)構(gòu)。能隙中的這些調(diào)制，揭示了電子結(jié)合強(qiáng)度的變化（增加到最大，然后下降到最?。┻@種模式在規(guī)則排列的晶格表面每八個(gè)原子重復(fù)一次。這項(xiàng)研究建立在之前的測(cè)量基礎(chǔ)上，表明隧道進(jìn)入顯微鏡的電子，對(duì)產(chǎn)生的電流也以同樣的周期性方式變化。

電流中的這些調(diào)制是第一個(gè)證據(jù)，盡管有些間接的，證明了雙密度波的存在。成對(duì)電子電流的調(diào)制，是電子表面成對(duì)程度存在調(diào)制的指標(biāo)。但這一次，通過(guò)測(cè)量單個(gè)電子的能譜，研究成功地直接測(cè)量了發(fā)生成對(duì)光譜中的調(diào)制間隙。這些間隙大小的調(diào)制，是存在成對(duì)密度波態(tài)的直接光譜證據(jù)。新研究結(jié)果還包括對(duì)密度波其他關(guān)鍵特征的證據(jù)（包括被稱為“半渦”的缺陷）以及它與超導(dǎo)相的相互作用。

此外，能隙調(diào)制反映了布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的另一項(xiàng)研究，該研究表明存在電和磁特性的調(diào)制模式（有時(shí)被稱為“條紋”）在某些高Tc銅酸鹽超導(dǎo)體中也存在以8個(gè)單元為周期的調(diào)制模式。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明，對(duì)密度波在這些材料的超導(dǎo)性能中發(fā)揮著重要作用。了解這種狀態(tài)可能有助于理解復(fù)雜的相圖，該相圖描繪了超導(dǎo)屬性在不同條件下是如何出現(xiàn)的，包括溫度、磁場(chǎng)和載流子密度。

博科園｜研究/來(lái)自：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《自然》

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