解开凝聚物物理中最伟大的奥秘之一

Cupate超导体CuO2平面中的掺杂电荷在低温下形成常规的一维的“条纹”。用超快近红外脉冲激发允许直接观察扩散电荷动力学，这可能参与建立面内超导性。

冷凝物质中最伟大的奥秘之一是铜替代超导体中的充电顺序与超导之间的确切关系。在超导体中，电子通过材料自由移动 - 当它冷却在其临界温度以下时，电阻零阻力。然而，铜酸酯同时表现出交替条纹图案中的超导和电荷顺序。这是矛盾的，其充电顺序描述了限制电子的区域。超导和充电顺序如何共存？

现在，伊利诺伊大学的研究人员在Urbana-Champaign，与SLAC国家加速器实验室的科学家合作，对这些不同国家彼此相邻的这些不同国家的阐述了新的光线。伊利诺伊州物理学博士后研究员Matteo Mitrao，Peter Abamamonte教授，他们的团队应用了一种新的X射线散射技术，时间解决的谐振软X射线散射，利用了SLAC的最先进的设备。这种方法使科学家能够以前所未有的能量分辨率探测条纹充电顺序相位。这是第一次以与超导相关的能量规模完成。

科学家测量了原型铜氧化物超导体，La2xBaxCuo4（LBCO）中的充电顺序的波动，发−现波动具有与材料的超导临界温度相匹配的能量，这意味着在铜替代铝桶中的超导性 - 以及通过外推 - 可以通过充电级波动调解。

研究人员进一步证明，如果电荷级熔化，系统中的电子将在几十皮秒内改变条纹的充电区域。事实证明，这一过程遵守通用扩展法。要了解他们在实验中看到的内容，Mitrano和Abamamonte转向伊利诺伊州物理学教授Nigel Goldenfeld和他的研究生朱朱朱朱，他们能够应用从软凝聚物物理学借来的理论方法来描述条纹图案的形成。

这些调查结果于2019年8月16日发表，在线期刊科学进步。

铜酸酯有条纹

可以在高温超导体（HTS）的研究中，特别是含有铜配合物的铜酯层材料的研究中，可以理解这种神秘的重要性。铜酸酯，其中一些被发现的HTS，具有比“普通”超导体更高的临界温度（例如，铝和铅超导体的临界温度低于10 k）。在20世纪80年代，发现铜酸盐，铜酸盐具有35 k（-396F）的超导临界温度°，这是一个发现的Bednorz和Müller赢得了诺贝尔奖。

该发现促使大量的研究泛滥。及时，科学家发现了LBCO和类似材料中不均匀性的实验证据：共存的绝缘和金属相。1998年，伊利诺伊州物理学教授Eduardo Fradkin，斯坦福教授Steven Kivelson教授，其他人提出了在传统频带理论下应该进行的Mott Insulators-材料，而是由于电子之间的排斥来阻止电荷顺序和超导性。La2Cuo4是LBCO的母体化合物，是Mott绝缘体的一个例子。由于BA被添加到该化合物中，取代一些LA原子，由于自发组织电子的孔空位，而是作为正电荷的自发性空位。

但是，关于条纹行为的其他问题仍然存在。费用秩序不动的区域吗？他们波动吗？

“传统的信念是，如果添加这些掺杂的孔，它们会增加对超导性的静态相位 - 冻结孔，材料不能携带电力，”Mitrano评论“。“如果它们是动态的 - 如果它们波动 - 那么有孔可以帮助高温超导性的方式。”

Peter Abamamonte教授（中间，海军毛衣）和博士后研究员Matteo Mitrano（右侧，穿着白色礼服衬衫）与他们的团队在斯洛克斯国家加速实验室在加利福尼亚州Menlo Park的Slac国家加速实验室。实验团队使用了一种称为时间分辨共振软X射线散射的新调查技术，以探测在良好研究的铜替代超导体中的条纹电荷相位，具有前所未有的能量分辨率，发现铜酸盐中的超导可能是用电荷介导的-Order波动。这是第一次以与超导相关的能量规模进行这种实验。资源：斯拉克

探测LBCO的波动

要了解条纹正在做什么，Mitrano和Abbamonte构思了一个融化了电荷顺序并观察了LBCO的改革过程。MITRANO和ABAMONTE Reimagrinded一种称为谐振非弹性X射线散射的测量技术，增加了时间相关的协议，以观察到电荷顺序如何在40皮秒的持续时间内恢复。该团队在LBCO样品上拍摄了激光，赋予电子进入电子以熔化充电顺序并引入电子均匀性。

“我们使用了一种为超快速源开发的新型光谱仪，因为我们正在进行实验，其中我们的激光脉冲非常短，”Mitrano解释说。“我们在SLAC的LinaC相干光源进行了测量，这是这一调查领域的旗舰。我们的测量值是在能量中比任何其他传统散射设施所做的两个更敏感的数量级。“

ABBamonte补充道，“这里的创新是什么，使用时域散射来研究亚MEV能量规模的集体激励。此技术以前用于声子。在这里，我们已经示出了相同的方法可以应用于价频带的激励。“

超导性机制的提示

该实验的第一个显着结果是，充电顺序实际上，随着LBCO的临界温度建立的能量几乎与能量相匹配。这表明约瑟夫森耦合可能对超导性至关重要。

由Brian Josephson于1962年发现的Josephson效果背后的想法是，两个超导体可以通过弱链路，通常是绝缘体或普通金属连接。在这种类型的系统中，超导电子可以从两个超导体泄漏到弱链路中，在其内产生超导电子的电流。

Josephson耦合提供了对充电顺序的超导和条纹区域之间的耦合的可能解释，其中条纹波动使得超导性泄漏到充电顺序区域，弱链路。

Nigel Goldenfeld教授（右）和他的伊利诺伊大学基因组生物学研究所闵珠朱姿态在Urbana-Champaign校园。Goldenfeld和朱镕基利用软浓缩物质领域借来的理论阐明了实验观察，建立了铜替代超导体中的电荷顺序条纹形成粘附在普遍的扩大法中，类似于液体和聚合物中的图案形成。照片由伊利诺伊州Siv Schwink，物理学

遵守模式形成的普遍缩放规律

熔化充电顺序后，MITRANO和ABBAMONTE在进行时测量条纹的恢复。随着充电秩序接近其全面恢复，它遵循意想不到的时间依赖。这个结果与研究人员过去遇到的东西相似。什么可能解释这一点？

答案是从软浓缩物理物理领域借来的，更具体地来自缩放法理论，Goldenfeld在描述液体和聚合物中的图案形成之前已经开发了二十年。Goldenfeld和朱镕基根据普遍，动态，自相似的扩展法展示了LBCO中的条纹。

Goldenfeld解释说：“到20世纪90年代中期，科学家们了解系统如何均衡均衡，但如何涉及条纹系统？我在大约20年前在这个问题上工作，看着当流体从下面加热时出现的模式，例如循环的六角形，在热味噌汤中升高的白色斑点。在某些情况下，这些系统形成循环流体的条纹，而不是斑点，类似于铜替代超导体中的电子条带图案。当模式形成时，它遵循普遍的扩展法。这正是我们在LBCO中看到的，因为它改革了其收费订单条纹。“

通过他们的计算，Goldenfeld和朱能够阐明MITRANO和ABBAMONTE的实验中依赖时间依赖模式改造的过程。条纹改革与对数时间依赖性 - 一个非常缓慢的过程。在LBCO中遵守缩放法进一步意味着它包含晶格结构中的拓扑缺陷或不规则性。这是该实验的第二个重要结果。

朱评论，“这是这项协作研究的一部分，使用固态物理学家，但是从软凝结物中施加技术，以分析强烈相关系统中的问题，如高温超导。我不仅促进了我的计算，而且还从我的同事中获取了不同背景的新知识，以这种方式获得了对身体问题的新观点，以及科学思维的新方法。“

在未来的研究中，MITRANO，ABAMONTE和GOLDENFELD计划进一步探测充电订单波动的物理学，目标是在LBCO中完全融化充电命令以观察条纹形成的物理学。他们还规划了与其他铜酸盐的类似实验，包括钇铜氧化铜化合物，更好地称为YBCO。

Goldenfeld将这一和未来的实验视为能够催化HTS的新研究的实验：“从Eduardo Fradkin和Steven Kivelson在定期调制时，我​​们学到了什么，我们应该考虑HTS作为电子液晶，”他说。“我们现在开始将液晶的软浓缩物理物理学应用于HTS，以了解这些材料中存在超导相的原因。”