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SLAC科学家查看超光速驱动的超导快照

SLAC国家加速器实验室的Linac相干光源的科学家们仔细地使用了定时的激光脉冲对来捕获光驱动超导的超快快照。 /

一项新的研究指出了超导电性背后的一个主要因素 - 以100%的效率导电的能力 - 是一种有前景的氧化铜材料。

科学家在SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)中仔细使用激光脉冲定时激活,以触发材料的超导性,并随着超导现象的出现立即拍摄其原子和电子行为的X射线快照。

他们发现,随着超导电性的出现,增加电荷的所谓“电荷条纹”消失。此外,这些结果有助于排除材料原子晶格中的位移阻碍超导电性发生的理论。

有了这种新的理解,科学家们可以开发出新技术来消除这些电荷条纹,并为室温超导性铺平道路,这通常被认为是凝聚态物理学的圣杯。在先进的电子学和计算中,所证明的在绝缘状态和超导状态之间快速切换的能力也证明是有用的。

来自马克斯普朗克德国物质结构和动力学研究所和美国能源部SLAC和布鲁克海文国家实验室科学家的合作结果于2014年4月16日在线发表在“物理评论快报”上。

共同作者,马克斯普朗克研究所的科学家迈克尔弗斯特说:“非常短的时间尺度和对高空间分辨率的需求使得这个实验非常具有挑战性。 “现在,利用飞秒X射线脉冲,我们找到了一种方法来捕获电荷和晶格的十亿分之一秒动态。我们在理解光诱导超导性方面已经打破了新的局面。“

LCLS科学家Josh Turner说:“这是使用LCLS的超导电领域的一个非常重要的成果。它展示了我们如何能够揭示超导现象中不同类型的复杂机制,迄今为止,这些机制是不可分割的。“

他补充说,“为了进行这种测量,我们必须推动当前能力的极限。我们必须用最先进的探测器来测量一个非常微弱,几乎不可检测的信号,我们必须调整每个激光脉冲中的X射线数量,以便在不破坏样品的情况下看到条纹信号。“

量子沙中的涟漪

本研究中使用的化合物是由物理学家Genda Gu在Brookhaven Lab生长的镧,钡,铜和氧组成的分层材料。每个氧化铜层都含有关键的电荷条纹。

“将这些条纹想象成沙石中冻结的波纹,”布鲁克海文实验室物理学家,该研究的合着者约翰希尔说。 “每层都有一个方向的波纹,但在相邻的层之间它们横向运行。从上面看,这看起来像一堆网球拍中的弦。我们相信这种模式可以防止每一层与下一层交谈,从而使超导性受挫。“

为了激发材料并将其推入超导阶段,科学家们使用中红外激光脉冲来“融化”那些冻结的涟漪。这些脉冲先前已经显示在寒冷的10开尔文(零下442华氏度)下在相关化合物中诱导超导电性。

“电荷条纹立即消失,”希尔说。 “但是据认为稳定这些条纹的晶格中的特定变形徘徊得更久。这表明只有电荷条纹会抑制超导电性。“

频闪快照

为了捕获这些条纹,该合作转向SLAC的LCLS X射线激光器,其工作原理类似于快门速度超过100飞秒或千万亿分之一秒的相机,并提供原子级图像分辨率。 LCLS使用一段SLAC的2英里长直线加速器来产生发射X射线光的电子。

研究人员使用所谓的“泵浦探针”方法:光学激光脉冲击中并激发(泵浦)晶格,并且超小型X射线激光脉冲被仔细同步以在飞秒内跟踪并测量(探测)晶格和条纹配置。每轮测试都会产生大约20,000张X射线快照,描述不断变化的晶格和电荷条纹,有点像闪光灯,快速照亮过程。

为了以高空间分辨率测量变化,团队使用了一种称为共振软X射线衍射的技术。 LCLS X射线撞击并将晶体散射到检测器中,携带时间标记的材料电荷和晶格结构,然后物理学家用它来重建超导条件的上升和下降。

“通过仔细选择非常特定的X射线能量,我们能够强调电荷条纹的散射,”布鲁克海文实验室物理学家斯图尔特威尔金斯说,这项研究的另一作者。 “这使我们能够从背景中挑出一个非常微弱的信号。”

走向超级超导体

X射线散射测量显示,晶格畸变持续超过10皮秒(十亿分之一秒) - 在电荷条纹熔化并出现超导电性很长时间后,发生在不到400飞秒的情况下。可能听起来有点轻微,那些额外的十亿分之一秒会产生巨大的差异。

“研究结果表明,相对较弱和持久的晶格位移在超导性的存在中不起重要作用,”希尔说。 “我们现在可以将我们的重点放在条纹上,进一步确定潜在的机制,并潜在地设计优质材料。”

马克斯普朗克研究所所长Andrea Cavalleri说:“光诱导超导性最近才被发现,我们已经看到了理解它和进入更高温度的迷人含义。事实上,我们已经观察到材料中光致超导材料的特征始终高达300开尔文(80华氏度) - 这确实是一个重大突破,值得深入研究。“

这项研究的其他合作者包括格罗宁根大学,牛津大学,钻石光源,劳伦斯伯克利国家实验室,斯坦福大学,欧洲XFEL,汉堡大学和自由电子激光科学中心。

在SLAC的LCLS(美国能源部科学用户设施办公室)的软X射线材料科学(SXR)实验站进行的研究由斯坦福大学,劳伦斯伯克利国家实验室,汉堡大学和自由电子中心激光科学(CFEL)。在布鲁克海文实验室进行的工作得到了美国能源部科学办公室的支持。

出版物:M.Först等人,“振动驱动La1.875Ba0.125CuO4中电荷条纹的熔化:评估失谐超导体中电子和晶格顺序的各种作用”,2014年,Phys。 Rev. Lett。 112,157002; DOI:10.1103 / PhysRevLett.112.157002

来源:SLAC国家加速器实验室

图片:JörgHarms / Max-Planck物质结构与动力学研究所