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来自超导条纹的太赫兹光
发布时间:2022-10-25 22:39:34 阅读:183

来源:珍妮•威特,马克斯•普朗克科学促进协会;电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 王力 编译

一旦高温超导铜氧化物表面被超短光脉冲照射,就会发出太赫兹辐射。这种效应只发生在超导性与电荷条纹秩序共存的化合物中。资料来源:Jörg Harms, MPSD

    为什么有些材料只有在冷却到接近绝对零度时才能无阻力地携带电流,而其他材料在相对较高的温度下就能做到?这个关键问题一直困扰着研究超导现象的科学家们。现在,来自汉堡马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所(MPSD)的Andrea Cavalleri小组的研究人员提供了证据,证明某些铜基化合物中的电子 "条纹 "可能导致材料晶体对称性的破坏,这种破坏甚至在其超导状态下依然存在。他们的工作已经发表在PNAS上。

    该团队专注于一系列的铜氧化物,研究了它们的超导状态与其他量子相的共存和竞争。这种相互作用被认为是高温超导发展的关键--这个过程仍然是当今凝聚态物理学中最重要的未解决的问题之一。

    研究人员将在布鲁克海文国家实验室生长和表征的几种铜晶体暴露在超短激光脉冲下。他们观察到这些材料如何开始发射一种特殊的太赫兹(THz)光--一种被称为THz发射光谱的技术。

    通常情况下,这种发射只在有磁场或极化电流的情况下发生。然而,MPSD团队在不施加任何外部偏差的情况下探测了铜酸盐,并在其中一些化合物中发现了“异常”的太赫兹发射。这些化合物的特点是所谓的电荷条纹秩序--电子将自己排列成链状模式,而不是自由移动。电荷条纹秩序似乎打破了材料的晶体对称性,就像磁场或外加电流一样,这种对称性的打破在超导状态下持续存在。

    论文的主要作者Daniele Nicoletti说:“通过对各种化合物进行实验,我们非常惊讶地发现,在一些超导体中存在清晰的相干和几乎单色的太赫兹发射,反之,在其他超导体中完全没有反应。我们能够合理的将太赫兹发射特征与电荷条纹秩序的存在联系起来,这是一种在各种铜酸盐家族中发现的奇特的有序相,据信它在高温超导的基础机制中发挥了作用。电荷条纹很可能导致超导体中的对称性破坏,这种破坏的存在在过去并没有被其他实验技术发现。”

    在与来自哈佛大学、苏黎世联邦理工学院和MPSD理论部门的物理学家合作下,该团队为这一现象提供了详细的解释。从观察到相干太赫兹发射发生在非常接近“约瑟夫森等离子体频率”的地方开始,也就是超导电子对跨越结晶铜氧平面的共振隧穿频率,研究人员将所谓的 “表面约瑟夫森等离子体”确定为发射源。这些是在超导体和外部环境之间的界面上产生的声波的类似物。原则上,这些是“无声”模式,意味着它们不直接与光耦合,因此预计不会辐射。然而,正是由于条纹秩序所引入的电荷调制的存在,提供了与外部世界必要的耦合,并允许这些模式发光。

    该团队的工作为导致高温超导的过程提供了重要的新见解。它还揭示了相干异常太赫兹发射是一种敏感的工具,可以在其他相的存在下探测超导体的对称性。研究人员认为,未来它应该被应用于更广泛的化合物类别,为理解这些材料中复杂的相互作用的物理机制提供了新的可能性。

 
 

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