布鲁克海文国家实验室的凯伦·麦纽提·沃什 这个示意图描绘了氧化铜(铜酸盐)超导体中单个电子的结合能(或超导能隙)，这是通过扫描表面的灵敏显微镜测得的
单个原子周围蓝色和黄色斑点的大小(带箭头的红色棒表示它们的自旋方向)表示能隙的大小(斑点越大，能隙越大，该位置的电子对结合越强)
请注意，当扫描水平行时，图案如何增加到最大值，然后减少到最小值(没有斑点)，以相反的方向增加到另一个最大值(黄色和蓝色斑点切换)，然后再减少到最小值，每八行重复此图案
这些调制是“对密度波”的第一个直接证据，“对密度波”是一种与超导性共存的物质状态，可能在它的出现中发挥作用
学分:布鲁克海文国家实验室 多年来，物理学家一直试图破译高温超导体的电子细节
这些材料可以彻底改变能量传输和电子技术，因为当冷却到一定温度以下时，它们能够携带电流而不损失能量
“高温超导体”微观电子结构的细节可以揭示不同的相(物质的状态)是如何与超导性竞争或相互作用的——在超导性中，带相同电荷的电子以某种方式克服排斥，配对并自由流动
最终目标是了解如何使这些材料在不需要过冷的情况下充当超导体
现在科学家在美国研究高温超导体
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能源部下属的布鲁克海文国家实验室有确凿的证据证明存在一种被称为对密度波的物质状态——这是理论家在大约50年前首次预言的
他们发表在《自然》杂志上的研究结果表明，在一种著名的铋基氧化铜超导体中，这一相与超导性共存
领导布鲁克海文实验室研究的物理学家藤田一弘说:“这是第一个直接的光谱证据，证明对密度波存在于零磁场中。”
“我们已经确定，对密度波在这种材料中起着重要作用
我们的结果表明，这两种物质状态——对密度波和超导性——共存并相互作用
" 该小组的结果来自布鲁克海文的绿洲实验室使用最先进的光谱成像扫描隧道显微镜对单电子隧道光谱的测量
藤田说:“我们测量的是，当我们改变样品和尖端之间的能量(电压)时，在给定位置有多少电子从样品表面‘隧穿’到硅扫描隧道显微镜的超导电极尖端，反之亦然。”
“通过这些测量，我们可以绘制出晶格和电子态密度，以及给定位置的电子数
" 当这种材料不是超导材料时，电子存在于一个连续的能量谱中，每个电子都以自己独特的波长传播
但是当温度下降时，电子开始相互作用——当材料进入超导状态时配对
当这种情况发生时，科学家观察到能谱中的一个缺口，这是由于在特定的能量范围内没有电子造成的
在布鲁克海文绿洲实验室的光谱成像扫描隧道显微镜下，藤田一弘(上图)和研究小组的其他成员(从左到右:根达古、桑贤珠、杜增一、彼得·约翰逊和回力)在一起
学分:布鲁克海文国家实验室 藤田说:“间隙的能量等于将电子对分开所需的能量(这告诉你它们被束缚得有多紧)。”
当科学家扫描材料表面时，他们发现了空间调制能隙结构
能量间隙的这些调制揭示了电子结合的强度是变化的——增加到最大，然后下降到最小——这种模式在规则排列的晶格表面每八个原子重复一次
这项工作是建立在以前的测量基础上的，这些测量表明，成对电子隧穿进入显微镜产生的电流也以同样的周期方式变化
那些电流的调制是第一个证据，尽管多少有些间接，证明了双密度波的存在
“成对电子电流的调制是一个指标，表明表面上成对电子的强度存在调制
但是这一次，通过测量单个电子的能谱，我们成功地直接测量了光谱中发生配对的调制间隙
这些间隙大小的调制是直接的光谱证据，证明了对密度波状态的存在，”藤田说
新的结果还包括对密度波的其他关键特征的证据——包括被称为“半涡流”的缺陷——以及它与超导相的相互作用
此外，能隙调制反映了布鲁克海文实验室的其他研究，表明电子和磁特性调制模式的存在——有时被称为“条纹”——在某些高温铜酸盐超导体中也以八个单元的周期出现
这些发现表明，对密度波在这些材料的超导特性中起着重要作用
藤田说:“了解这种状态可能有助于我们理解复杂的相图，该相图描绘了超导特性如何在不同条件下出现，包括温度、磁场和电荷载流子密度。”
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