SLAC 的一个研究小组发现，在铜酸盐超导体中交织的两个量子态存在的情况下，一种称为原子弛豫的极其缓慢的过程是如何变化的。结果表明，弛豫过程是探索和理解这两种状态的一个有前途的工具——电荷密度波（如上图所示），它们是材料中电子密度较高和较低的条纹，以及超导态本身，当材料冷却到其转变温度以下时，超导态就会打开。图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

虽然已知原子摆动非常快，但添加到铜酸盐超导体中的掺杂剂也会导致原子非常缓慢地蜿蜒。SLAC 的一项研究表明，这个过程称为原子弛豫，提供了一种探索这些令人费解的材料中的量子态的新方法。

被称为非常规超导体的材料可以在比常规超导体更高的温度下无损耗地导电。但经过 40 年的研究，这些温度仍然相当低——比水的冰点低约 140°C。将它们设计为在更温暖的条件下运行——这一发展可能会刺激能源、微电子和其他领域的革命——需要更好地了解这些复杂材料的工作原理。

到目前为止，几乎所有的研究都集中在可能有助于超导性的非常快速的过程上，例如，被称为声子的自然高频振动，每秒使材料的原子晶格嘎嘎作响数万亿次。

现在，美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的研究人员从相反的方向进行了新的审视：他们观察到，在铜酸盐超导体中交织的两个量子态存在的情况下，一个被称为原子弛豫的极其缓慢的过程是如何变化的。

结果表明，弛豫过程是探索和理解这两种状态的一个很有前途的工具——电荷密度波 （CDW），它是材料中电子密度较高和较低的条纹，以及超导态本身，当材料冷却到其转变温度以下时，超导态就会开启。

研究小组在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上描述了这些结果。

原子弛豫可以由许多因素触发，包括掺杂——将新元素引入材料的原子晶格中以改变其电子特性。掺杂使现代电子产品中的半导体成为可能，它通常用于超导体等高性能材料的研究。在铜酸盐中，它用于产生超导性。

掺杂剂的原子取代了材料中的一些原子。但由于它们的大小与周围的原子不同，掺杂原子无法找到一个舒适的位置来稳定下来。因此，它慢慢地在相邻原子之间蜿蜒曲折，推动相邻的原子做同样的事情，并继续这样做，直到被打断。

“这种对慢原子运动的观察是一种观察事物的新方式，”SLAC 斯坦福材料科学与工程研究所 （SIMES） 的首席研究员 Joshua Turner 说。“它可以告诉我们各种有趣的事情，关于电子在许多人长期研究的系统和材料中的作用。”

在美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源 II 上使用相干硬 X 射线散射光束线 （CHX），SLAC 团队发现，在他们研究的铜酸盐中，原子弛豫大约需要 1,000 秒。

但令他们惊讶的是，原子蜿蜒曲折地远离它们的平均位置，并且在 CDW 存在的情况下弛豫减慢了速度。更令人惊讶的是，当铜酸盐接近其超导状态时，这种显着的效果发生了逆转，并且弛豫加速了。

“这种洞察力为科学家提供了一种全新的方法来探索这些量子态如何在慢时间尺度上交织在一起，并了解驱动非常规超导的基本力量，”SLAC 直线加速器相干光源 （LCLS） X 射线激光器的副科学家 Lingjia Shen 说，他在研究中发挥了主导作用。

更多信息：Zach Porter 等人，通过准静态晶格波动了解超导性和电荷密度波相互作用，美国国家科学院院刊（2024 年）。DOI： 10.1073/pnas.2412182121

期刊信息：Proceedings of the National Academy of Sciences