超导最新Science: 室温超导新的可能性

一、【导读】

绝大多数超导材料需要在极低温下才能发挥效能，这通常位于液氮温区，甚至更低，因此在没有冷却系统的情况下使用它们是不切实际的。超导机制的研究对于调控超导性能，并进而探索室温超导体意义重大。电荷密度波（charge density wave，CDW）是低维体系中存在的一种重要的物理现象，对CDW的研究有助于人们对低维系统内禀电声耦合和关联等相互作用有更深层次的认识，同时通过对材料中CDW的精准调控可以有效控制低维材料中磁性、超导等物理性质。众所周知，在铜酸盐超导体中超导性和CDW共存，但又彼此竞争。传统的超导性和CDW是两种不同的电子态，都源于电声耦合和费米不稳定性。在传统的CDW与超导体共存的图像中，进入CDW态后，由于费米面的嵌套，能隙打开，导致态密度损失，表现出CDW与超导性竞争的行为。CDW状态可以通过增加压力或化学掺杂来抑制。随着CDW状态的抑制，超导临界转变温度 (Tc ) 将表现出单个圆顶状行为。但超导性与CDW的共存与竞争关系异常复杂，目前对二者相互作用的动力学研究较少，至今尚未得到统一结论。

二、【成果掠影】

近日，美国 SLAC国家加速器实验室Giacomo Coslovich团队在超导性和电荷密度波之间发现了一种新的关联。通过在YBa₂Cu₃O_6+x上进行时间分辨共振软X射线散射研究，跟踪CDW对红外激光脉冲驱动的超快超导猝灭的响应揭示了超导和CDW 在时域中的相互作用。通过对超导猝灭后YBa₂Cu₃O_6+x中CDW关联性的瞬态演变的研究，观察到CDW序的非热响应，其特征是在超导猝灭的约1皮秒内关联长度几乎增大了一倍。这表明超导性稳定了CDW缺陷，这些缺陷通过抑制超导性而被消除。这个结果与模型一致，其中超导性和 CDW之间的相互作用通过破坏空间相干性表现出不均匀性，而超导性在稳定CDW拓扑缺陷方面起主导作用。将YBa₂Cu₃O_6+x暴露在红外光下来降低YBa₂Cu₃O_6+x的超导性时，材料的电荷密度波会增加，并以更均匀、同步的模式组织起来。相反，当超导性增加时，材料的电荷密度波变得不那么有条理。这基本上找到了一个‘调谐旋钮’，可以通过增加或减少超导性来改变电荷密度波的形状。这项研究对于扭转这一过程并找到通过电荷密度波改变超导性的方法提供了重要参考。相关成果以“Enhanced charge density wave coherence in a light-quenched, high-temperature superconductor”为题发表在知名期刊Science上。

三、【核心创新点】

1、超快共振软x射线散射跟踪YBa₂Cu₃O_6+x中CDW对红外激光脉冲驱动的超快超导猝灭的响应在自然长度和时间尺度上提供了识别超导性与CDW相互作用的探针。

2、超导电性似乎扰乱了CDW域内的空间相干性。这与强竞争有序的相分离状态明显不同，证实了超导和CDW之间的强相互作用。

3、该项工作提供了一个‘调谐旋钮’，可以通过增加或减少超导性来改变电荷密度波的形状。

四、【数据概览】

图1实验条件和时域结果 © 2022 AAAS

图2光激发前后CDW峰的X射线散射曲线 © 2022 AAAS

图3超导和CDW的相互作用© 2022 AAAS

五、【成果启示】

综上所述，通过利用超导光猝灭后CDW序参量的超快探针，观察到超导和CDW之间的动态相互作用。实验现象表明超导通过稳定拓扑缺陷破坏了CDW域内的CDW空间相干性。尽管需要进一步的研究来明确这些缺陷的微观性质，但这种方法为研究竞争序创造了机会，这是对当前稳态方法（例如高场和单轴压力实验）的补充。新的发现或许有助于更好地理解超导性与CDW的共存与竞争关系在其他系统中的作用。这反过来又有助于去探寻一些新的问题，比如为什么有的材料可以在相对较高的温度下产生超导性，它也可以帮助我们探索通过电荷密度波改变超导性，并发现具有更高温度的超导体。

文章链接：

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