作者:劳拉·姆拉迪奇，布鲁克海文国家实验室 布鲁克海文实验室的科学家马克·迪恩在国家同步加速器光源二号(NSLS二号)上使用软非弹性x光(SIX)束线，揭示了一种特殊高温超导体——玻色子的新见解
学分:布鲁克海文国家实验室 高温超导体是一类能够在比标准超导体相对高的温度下几乎零电阻导电的材料，标准超导体必须被冷却到接近绝对零度——可能的最低温度
高温材料令人兴奋，因为它们有可能改变现代生活，例如促进超高效的能量传输或用于制造尖端量子计算机
一种特殊的高温超导体，铜酸盐，已经研究了30年，然而科学家仍然不能完全解释它们是如何工作的:一种“典型的”铜酸盐内部会发生什么？ 拼凑出它们电子行为的完整图像对于打造铜酸盐的“圣杯”至关重要:铜酸盐是一种多功能、坚固的材料，可以在室温和环境压力下超导
为此，一个由美国科学家领导的研究小组
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能源部下属的布鲁克海文国家实验室最近利用x光技术发现了一种特殊铜酸盐的电子行为的新信息，这种技术迄今为止还没有被广泛用于研究它们
研究人员在布鲁克海文实验室的国家同步加速器光源二号(NSLS二号)工作，这是美国能源部科学用户办公室的一个设施，他们使用一种x光散射的形式来研究铜酸盐中电荷的特定排列:一种被称为电荷密度波的电子有序模式(CDW)
x光技术——共振非弹性x光散射(RIXS)——可能为研究这些材料开辟有趣的新途径
这项调查的结果发表在5月21日的在线版《物理评论快报》上
铜酸盐中的镉 CDW可以想象成电子的驻波图案
CDWs出现在有序的晶体材料中，如铜酸盐，它由氧化铜和绝缘体(通常是另一种氧化物)的交替层组成
绝缘平面充当电荷库，为发生超导的氧化铜层供电
长期以来，人们一直怀疑CDWs在铜酸盐超导的过程中起着至关重要的作用，但是如何描述一种物质——它是如何出现和消失的，它是如何表现的，它是如何增加或阻碍超导性的——对科学家来说是一个持续的挑战
在NSLS二号和英国的钻石光源公司，该小组研究了一种由镧、铜和氧组成的铜酸盐，这种铜酸盐“掺杂”了少量的锶(被称为LSCO)
掺杂是一种向化合物中加入微量杂质来改变或改善其电学、光学或结构特性的技术
该小组用四种不同的掺杂水平制作了四个LSCO样品
掺杂水平涵盖了一系列电子行为，在这些行为中，CDW处于最强状态，然后消失
这个范围还包括LSCO电子结构中的一个跃迁:“费米表面”，这是一个理论上的三维壳层，当材料的温度为绝对零度时，它将填充和未填充的电子轨道——原子核周围特定电子最有可能存在的体积——分开
费米表面是抽象的，但它们非常重要，通常预测材料的电子行为以及许多其他属性
一种研究铜酸镉的新方法 在RIXS，入射x光光子的能量被转移到晶体样品中的核心级电子，“激发”它们进入导带
核心电子留下的空位被价带电子填充，价带电子在跃迁到较低能带时会发出光子
这些发射的光子形成了一个能量谱，可以对其进行分析，以获得关于激发和材料整体电子行为的信息
在NSLS二号，这项工作是在软非弹性x光(六)束线完成的，它提供了超高能量分辨率的RIXS
该技术对价电子和声子的激发(原子晶格的集体振动)具有增强的灵敏度
CDW可以与这些兴奋联系在一起
布鲁克海文的凝聚态物理和材料科学系的物理学家马克·迪恩说:“最近发现CDW效应被编织到铜酸盐RIXS光谱中，这让该领域的研究人员感到兴奋，因为它提供了一个诱人的前景，即我们可能能够阐明产生CDWs的相互作用。”他与上海理工大学的刘雪荣和NSLS第二大学的瓦伦丁娜·比索尼一起领导了这项研究
迪恩和他的同事发现，尽管跨越了费米跃迁，但RIXS光谱在所有掺杂水平下几乎没有变化
这表明光谱与费米表面附近的激发无关
但是从RIXS光谱中学习更多的东西——即分离和解释CDW的可能影响——是一个挑战
“CDWs不可避免地改变了它们的主晶格，从而改变了声子，”毕索尼说
“更复杂的是，有不同的方法来解释RIXS数据
" 通过严格、仔细的分析，研究小组得出结论，RIXS光谱与电子激发几乎没有直接关系
相反，它们受声子行为的影响最大，包括由CDW引起的声子“软化”——频率的降低——以及声子强度的变化
迪恩说:“最近在六束线达到的创世界纪录的能量分辨率对这项研究至关重要，使我们能够分辨和识别RIXS数据中存在的不同贡献。”
该小组指出，他们的结果支持了一个假设，即CDW是由电子之间的“强关联”驱动的——这个术语用来描述材料中不为人所知的电子行为——并支持了这样的观点，即铜酸盐中的RIXS响应是由CDW如何修饰晶格以及这些修饰如何引发更复杂的相互作用驱动的
拜六号的性能所赐，我们能够在铜酸盐超导体的物理之谜中加入一个新的部分
“在完成了建造、调试和优化束线的所有工作之后，看到这项工作产生了高影响力的科学成果是很棒的
我们希望这份出版物将成为许多此类合作出版物的第一份
" 在未来的工作中，同一个团队希望以更高的能量分辨率研究这些系统，以揭示晶格的低能振动模式的细节
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