超導最新Science: 室溫超導新的可能性

一、【導讀】

絕大多數超導材料需要在極低溫下才能發揮效能，這通常位于液氮溫區，甚至更低，因此在沒有冷卻系統的情況下使用它們是不切實際的。超導機制的研究對于調控超導性能，并進而探索室溫超導體意義重大。電荷密度波（charge density wave，CDW）是低維體系中存在的一種重要的物理現象，對CDW的研究有助于人們對低維系統內稟電聲耦合和關聯等相互作用有更深層次的認識，同時通過對材料中CDW的精準調控可以有效控制低維材料中磁性、超導等物理性質。眾所周知，在銅酸鹽超導體中超導性和CDW共存，但又彼此競爭。傳統的超導性和CDW是兩種不同的電子態，都源于電聲耦合和費米不穩定性。在傳統的CDW與超導體共存的圖像中，進入CDW態后，由于費米面的嵌套，能隙打開，導致態密度損失，表現出CDW與超導性競爭的行為。CDW狀態可以通過增加壓力或化學摻雜來抑制。隨著CDW狀態的抑制，超導臨界轉變溫度 ( Tc ) 將表現出單個圓頂狀行為。但超導性與CDW的共存與競爭關系異常復雜，目前對二者相互作用的動力學研究較少，至今尚未得到統一結論。

二、【成果掠影】

近日，美國 SLAC國家加速器實驗室Giacomo Coslovich團隊在超導性和電荷密度波之間發現了一種新的關聯。通過在YBa₂Cu₃O_6+x上進行時間分辨共振軟X射線散射研究，跟蹤CDW對紅外激光脈沖驅動的超快超導猝滅的響應揭示了超導和CDW 在時域中的相互作用。通過對超導猝滅后YBa₂Cu₃O_6+x中CDW關聯性的瞬態演變的研究，觀察到CDW序的非熱響應，其特征是在超導猝滅的約1皮秒內關聯長度幾乎增大了一倍。這表明超導性穩定了CDW缺陷，這些缺陷通過抑制超導性而被消除。這個結果與模型一致，其中超導性和 CDW之間的相互作用通過破壞空間相干性表現出不均勻性，而超導性在穩定CDW拓撲缺陷方面起主導作用。將YBa₂Cu₃O_6+x暴露在紅外光下來降低YBa₂Cu₃O_6+x的超導性時，材料的電荷密度波會增加，并以更均勻、同步的模式組織起來。相反，當超導性增加時，材料的電荷密度波變得不那么有條理。這基本上找到了一個‘調諧旋鈕’，可以通過增加或減少超導性來改變電荷密度波的形狀。這項研究對于扭轉這一過程并找到通過電荷密度波改變超導性的方法提供了重要參考。相關成果以“Enhanced charge density wave coherence in a light-quenched, high-temperature superconductor”為題發表在知名期刊Science上。

三、【核心創新點】

1、超快共振軟x射線散射跟蹤YBa₂Cu₃O_6+x中CDW對紅外激光脈沖驅動的超快超導猝滅的響應在自然長度和時間尺度上提供了識別超導性與CDW相互作用的探針。

2、超導電性似乎擾亂了CDW域內的空間相干性。這與強競爭有序的相分離狀態明顯不同，證實了超導和CDW之間的強相互作用。

3、該項工作提供了一個‘調諧旋鈕’，可以通過增加或減少超導性來改變電荷密度波的形狀。

四、【數據概覽】

圖1實驗條件和時域結果 ? 2022 AAAS

圖2光激發前后CDW峰的X射線散射曲線 ? 2022 AAAS

圖3超導和CDW的相互作用? 2022 AAAS

五、【成果啟示】

綜上所述，通過利用超導光猝滅后CDW序參量的超快探針，觀察到超導和CDW之間的動態相互作用。實驗現象表明超導通過穩定拓撲缺陷破壞了CDW域內的CDW空間相干性。盡管需要進一步的研究來明確這些缺陷的微觀性質，但這種方法為研究競爭序創造了機會，這是對當前穩態方法（例如高場和單軸壓力實驗）的補充。新的發現或許有助于更好地理解超導性與CDW的共存與競爭關系在其他系統中的作用。這反過來又有助于去探尋一些新的問題，比如為什么有的材料可以在相對較高的溫度下產生超導性，它也可以幫助我們探索通過電荷密度波改變超導性，并發現具有更高溫度的超導體。

文章鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd7213