在超導材料擁有以電阻幾乎為零的導電能力，所謂的高溫超導體(HTSC)是新一代先進技術的可能候選者。其中之一的“銅酸鹽”是基於氧化銅平面的晶體材料，特別有前景。但在主流的室溫應用之前，科學家們仍然需要對這些材料有更多的了解。目前，即使是“高溫”超導體也必須按日常標準冷卻到非常非常冷的溫度。在美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室工作的布魯克海文和倫敦大學學院的科學家限制發現了一種新的，令人驚訝的週期性電荷排列。

這種電荷排列與銅酸鹽中的超導電性共存，稱為電荷密度波(CDW)，發現當樣品反覆加熱超過電荷密度波消失的溫度時，樣品中特定的電荷密度波順序會被“記住”。這一發現為研究這些耐人尋味的材料機制開闢了一條新途徑，使科學家向完整的銅酸鹽中電子行為邁進了一步。參與這項研究的研究人員之一布魯克海文實驗室物理學家Claudio Mazzoli解釋說：這就像融化一堆冰塊，然後重新凍結它們，然後發現它們重新凍結成一堆相同的立方體，即使是在微觀層面，此前沒人會想到會看到這一幕。

其研究成果發表在《自然通訊》期刊上，與所有高溫超導體一樣，銅酸鹽的電子行為相當複雜。顧名思義，組成電荷密度波的電子形成周期駐波圖案。幾乎所有的銅酸鹽中都觀察到了電荷密度波，但它們在超導中的作用仍未完全了解。它們與超導電性競爭嗎？它們參與了嗎？它們是否以某些方式阻礙超導，並可能在其他方面增加超導電性？科學家們仍在研究這個問題。另一位作者布魯克海文物理學家馬克·迪恩(Mark Dean)解釋說：在高溫超導體中，研究人員對電子的任何排列都很感興趣。

目標是研究這些排列，並對它們進行調整（或許將它們移除）以便材料的超導轉變溫度可以接近或超過室溫。要做到這一點，必須儘可能多地了解高溫超導體中電子的行為及其結構。研究人員確實知道的一件事是，含有相同氧化銅平面的銅酸鹽（但排列方式略有不同）可能具有截然不同的性質。這樣看來，承載電荷密度波的晶格部分對電荷密度波有影響。該小組開始研究更多關於材料的晶格結構和電荷密度波行為之間的關係。研究的模型系統是一種被稱為LBCO的銅酸鹽，因為它所包含的化合物是：鑭、鋇、銅和氧。

LBCO的轉變溫度（低於它顯示電荷密度波的溫度，高於它不顯示電荷密度波的溫度）為54開爾文(K)(儘管相當於大約-217.7攝氏度，這個溫度在超導體世界中仍然相對較高)，研究小組想要找出LBCO晶格中的缺陷是如何穩定電荷密度波。研究人員對發生在材料中一種眾所周知的晶格扭曲特別感興趣：由結合的銅和氧原子形成八面體形狀的傾斜。這種傾斜傾向於將電荷密度波錨定到晶格，使得其定向於特定方向；看起來電荷密度波可能對晶格的空間不均勻性或疇敏感。

如本研究中所揭示的溫度行為所表明：電荷密度波和疇之間的這種關係可能是LBCO所獨有，了解這是否是銅酸鹽的一般特徵將非常重要。研究小組將LBCO樣品迴圈通過一系列溫度，反覆加熱和冷卻，同時在布魯克海文國家同步光源II(NSLS-II)(美國能源部科學辦公室使用者設施)對其進行X射線探測。在相干軟X射線散射(CSX)光束線上，使用了一種稱為相干共振X射線衍射的技術，其中X射線從CDW空間排列中的不同區域散射，相互干擾，並形成由特殊相機捕獲的“散斑”圖案，分析此模式會生成有關電荷密度波功能的資訊。

研究任務直接觀察電荷密度波，同時跟蹤其在一定溫度範圍內的變化，總體來說非常具有挑戰性，這在很大程度上是由於電荷密度波的特徵距離非常短。同步光源II非常適合這種型別的研究，因為它產生的光具有相干性質，這意味著光波的傳播一致，而不是不同步和混亂的，較老的光源沒有這種高度相干的光束。散斑分析表明，即使樣品在更高的溫度下重複迴圈，直到大約240K(約-28°F)，存在於54K以下的特定電荷密度波有序仍然存在。研究人員認為，是在240K以下發生的晶體結構變化創造了一種將電荷密度波錨定在晶格上的“釘扎景觀”。

本研究為研究超導銅酸鹽中電荷和晶格自由度之間的複雜相互作用開闢了一條新途徑，這也是同步光源II如何用於研究材料的量子相及其壯觀的、意想不到的性質的一個很好證明。布魯克海文大學和倫敦大學的物理學家伊恩·羅賓遜(Ian Robinson)表示說：這一結果強調了奈米尺度磁疇在高溫超導中的重要作用。如果沒有已經觀察到的磁疇釘扎效應，電荷密度波可能會攜帶電流，進一步破壞超導電性。對這些微妙的‘階段’域結構進行成像仍處於初級階段，這項研究工作突出表明需要開發更好的成像技術，以便可以直接看到結構細節。

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-09433-1