新的测量方法有助于理解高温超导的物理学

时间:2020-05-13 22:09 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

新的测量方法有助于理解高温超导的物理学

从可持续能源到量子计算机:高温超导体有可能彻底改变当今的技术。然而,尽管进行了深入的研究,我们仍然缺乏必要的基本认识,以开发这些复杂的材料广泛应用。“希格斯光谱”可能带来一个分水岭,因为它揭示了超导体中成对电子的动力学。一个以Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)和Max Planck固态研究所(MPI-FKF)为中心的国际研究联盟正在《自然通讯》杂志上介绍这种新的测量方法。值得注意的是,即使在材料达到超导临界温度以上,动力学也揭示了典型的超导前兆。

超导体输送电流而不损失能量。利用它们可以极大地降低我们的能源需求——如果不是因为超导需要-140摄氏度及以下的温度这一事实的话。材料只有在这一点以下才会“开启”它们的超导性。所有已知的超导体都需要复杂的冷却方法,这使得它们不适合日常使用。高温超导体,如以氧化铜为基础的创新材料——铜氧化物,有望取得进展。问题是,尽管多年的研究努力,他们的确切运作模式仍然不清楚。希格斯光谱可能会改变这一点。

希格斯光谱为高温超导提供了新的视角

“希格斯光谱为我们研究物理过程提供了一个全新的‘放大镜’,”Dr. Jan-Christoph Deinert报告说。HZDR辐射物理研究所的研究人员正在与来自MPI-FKF、斯图加特大学和东京大学以及其他国际研究机构的同事一起研究这种新方法。科学家们最想知道的是电子是如何在高温超导体中形成电子对的。

在超导中,电子结合在一起形成“库柏对”,使它们能够成对地穿过材料而不与周围环境发生任何相互作用。但是当两个电子的电荷使它们互相排斥时,是什么使它们成对的呢?对于传统的超导体,有一个物理上的解释:“电子配对是因为晶格振动,”该研究的主要作者之一、MPI-FKF和斯图加特大学(University of Stuttgart)研究超导体动力学的斯特凡·凯泽(Stefan Kaiser)教授解释道。一个电子扭曲了晶格,晶格就会吸引第二个电子。然而,对于铜酸盐来说,目前还不清楚是哪种机制代替了晶格振动。凯泽解释说:“一种假设是,这种配对是由于自旋波动造成的,也就是磁场的相互作用。”“但关键的问题是:它们对超导性的影响,尤其是对库珀对的性质的影响,能否直接测量出来?”

在这一点上,“希格斯振荡”进入了一个阶段:在高能物理学中,它们解释了为什么基本粒子有质量。但它们也存在于超导体中,在超导体中它们可以被强激光脉冲激发。它们代表了阶参量的振荡——测量材料的超导状态,换句话说,就是库柏对的密度。理论到此为止。几年前,当东京大学的研究人员使用超短光脉冲在传统的超导体中激发希格斯振荡时,第一个实验证明成功了——就像让一个钟摆运动一样。然而,对于高温超导体,这种一次性脉冲是不够的,因为超导和非超导电子之间的相互作用以及有序参数的复杂对称性使系统阻尼过大。

太赫兹光源使系统保持振荡

多亏了希格斯光谱,围绕MPI-FKF和HZDR的研究联盟现在在高温超导体的实验上取得了突破。他们的诀窍是使用一个多周期的、非常强的太赫兹脉冲,它可以优化地调谐到希格斯振荡,并且可以在阻尼因素的情况下保持它——不断地刺激比喻钟摆。利用HZDR上的高性能太赫兹光源TELBE,研究人员能够每秒向样品发送100,000个这样的脉冲。“我们的源在世界上是独一无二的,因为它在太赫兹范围内的高强度和非常高的重复率,”Deinert解释说。“我们现在可以有选择地驱动希格斯介子振荡,并非常精确地测量它们。”

这一成功归功于理论和实验科学家之间的密切合作。这个想法是在MPI-FKF公司提出的;实验由TELBE团队,由博士Jan-Christoph Deinert博士谢尔盖Kovalev在HZDR然后组长教授迈克尔?Gensch现研究和TU柏林德国航空航天中心:“特别重要的实验是大型研究机构的科学应用。他们证明了像TELBE这样的高功率太赫兹源可以用非线性太赫兹光谱学来处理一系列复杂的样品,比如铜酸盐。”

这就是为什么研究团队预计在未来会有很高的需求:“希格斯光谱作为一种方法学方法开辟了全新的可能性,”该研究的主要作者、马克斯·普朗克- ubc - utokyo量子材料中心的博士后朱浩博士解释说。“这是一系列实验的起点,将为这些复杂材料提供新的见解。”我们现在可以采取非常系统的方法。”

略高于临界温度:超导性从何开始?

通过一系列的测量,研究人员首先证明了他们的方法适用于典型的铜酸盐。在临界温度以下,研究小组不仅能够激发希格斯振荡,而且还证明了一种新的、以前未观察到的激发与库珀对的希格斯振荡相互作用。进一步的实验将揭示这些相互作用是否是磁性相互作用,这是专家们激烈争论的问题。此外,研究人员发现,库珀对也可以形成在临界温度以上,虽然没有振荡在一起。其他的测量方法之前已经提出了这种早期配对形成的可能性。希格斯光谱可以支持这一假设,并阐明电子对何时、如何形成,以及是什么原因导致它们在超导体中一起振荡。

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