2019-01-05 00:12:02
揭示隐藏的旋转是释放通向高温超导体的新路径

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在20世纪80年代,被称为铜酸盐的高温超导体的发现颠覆了一种广泛存在的理论,即超导体材料仅在非常低的30开尔文(或零下406华氏度)的低温下承载电流而没有电阻。几十年以来,研究人员一直对一些铜酸盐在超过100开尔文(零下280华氏度)的温度下超导的能力感到困惑。

现在,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员已经揭示了铜酸盐的不寻常特性的线索 - 答案在于一个意想不到的来源:电子自旋。他们描述这一发现背后研究的论文于12月13日发表在“科学”杂志上。

将电子自旋添加到等式中

每个电子就像一个指向某个方向的微小磁铁。大多数超导体材料中的电子似乎都遵循自己的内部指南针。他们的电子旋转不是指向同一个方向,而是偶然指向每一个方向 - 一些向上,一些向下,其他向左或向右。

当科学家们开发新型材料时,他们通常会观察材料的电子自旋或电子指向的方向。但是当谈到制造超导体时,凝聚态物理学家传统上并没有专注于旋转,因为传统观点认为,使这些材料独特的所有特性都只能通过两个电子相互作用的方式来塑造。所谓的“电子相关”。

但是当伯克利实验室材料科学部的教师科学家Alessandra Lanzara和加州大学伯克利分校的Charles Kittel物理学教授领导的研究团队使用一种独特的探测器来测量异型铜酸盐超导体样品Bi-2212(铋锶钙)氧化铜(氧化铜)具有强大的技术,称为SARPES(自旋和角度分辨光电子能谱),他们发现了一些东西,这些东西违背了他们所知道的超导体的一切:材料中电子自旋的独特模式。

“换句话说,我们发现有一个明确定义的方向,每个电子指向它的动量,这个属性也被称为自旋动量锁定,”兰扎拉说。 “在高温超导体中找到它是一个很大的惊喜。”

一张新的高温超导体图

在超导体领域,“高温”意味着材料可以在高于预期的温度下无阻力地导电,但仍然在远低于零华氏度的极冷温度下导电。这是因为超导体需要非常冷才能在没有任何阻力的情况下携带电力。在那些低温下,电子能够彼此同步移动而不会被晃动的原子撞击,从而导致电阻。

在这类特殊的高温超导体材料中,铜酸盐是一些性能最佳的产品,这使得一些研究人员相信它们有可能用作构建超高效电线的新材料,这种电线可以承载电力而不会损失任何电子共同主要作者Kenneth Gotlieb说,他是博士。发现时Lanzara实验室的学生。了解是什么让一些奇异的铜酸盐超导体如Bi-2212在高达133开尔文(约-220华氏度)的温度下工作,可以更容易地实现一个实用的设备。

在物理学家研究的凝聚态物质中,有两种电子相互作用可以产生包括超导体在内的新材料的新特性,Gotlieb说。一直在研究铜酸盐超导体的科学家们只关注其中一种相互作用:电子相关性。

在外来材料中发现的另一种电子相互作用是“自旋 - 轨道耦合 - 电子的磁矩与材料中的原子相互作用的方式。

在铜酸盐超导体的研究中,自旋轨道耦合经常被忽略,因为许多人认为与电子相关性相比,这种电子相互作用会很弱,联合主要作者,实验室材料科学部研究员Chiu-Yun Lin说。和博士学位加州大学伯克利分校物理系的学生。因此,当他们发现不寻常的旋转模式时,Lin说尽管他们对这一初步发现感到惊喜,但他们仍不确定这是否是Bi-2212材料的“真实”内在特性,或者是由外部效应造成的激光在实验中与材料相互作用的方式。

用SARPES照亮电子自旋光

在近三年的时间里,Gotlieb和Lin使用SARPES探测器彻底绘制了Lanzara实验室的旋转模式。当他们需要更高的光子能量来激发样品中更广泛的电子时,研究人员将检测器移到了伯克利实验室的同步加速器,高级光源(ALS),美国能源部科学用户设施办公室,专门研究低能耗,“软”X射线光用于研究材料的性质。

SARPES探测器由Lanzara和前ALS分部副主任Zahid Hussain以及ALS科学家Chris Jozwiak共同开发。探测器允许科学家探测电子的关键电子特性,如价带结构。

在ALS进行了数十次实验之后,研究人员将SARPES探测器与Beamline 10.0.1连接起来,这样他们就可以通过这种强大的光来探测通过超导体以高得多的动量移动的电子自旋。在实验室里,他们发现Bi-2212的独特旋转模式 - 称为“非零旋转 - 是一个真实的结果,鼓励他们提出更多问题。”在高温超导领域仍有许多未解决的问题,“林说。 “我们的工作为更好地理解铜酸盐超导体提供了新的知识,这可以成为解决这些问题的基石。”

兰扎拉补充说,如果没有伯克利实验室的协作“团队科学”,他们的发现就不会发生,伯克利实验室是一个与附近的加州大学伯克利分校有历史联系的能源部国家实验室。她说:“这项工作是科学可以在科学学科拥有专业知识的人聚集在一起的典型例子,以及新仪器如何突破科学界限。”

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