超导体的完美性能可以彻底改变从电网规模的电力基础设施到消费电子产品的一切，只要它们能够被强制在寒冷温度以上运行。即使是所谓的高温超导体(HTS)也必须冷却到零下几百华氏度。
现在，来自能源部(DOE)布鲁克海文实验室和耶鲁大学的科学家们发现了HTS材料中电子的新的令人惊讶的行为。7月27日发表在“ 自然 ”杂志上的研究结果 描述了通过氧化铜(铜酸盐)超导体的电子对称破裂流动。这种行为可能与HTS背后难以捉摸的机制有关。
“我们的发现挑战了凝聚态物理学的基石，”第一作者和Brookhaven Lab物理学家吴洁说。“这些电子似乎自发地”选择“自己通过材料的路径 – 这种现象与预期直接相反。”
越野电子
在简单的金属中，电子均匀地移动而没有方向偏好 – 想象一下液体在表面上扩散。本研究中的HTS材料具有晶体结构的四重旋转对称性。预计电流将均匀地平行于这些层流动 – 但这不是布鲁克海文集团所观察到的。
“我来自中西部，那里有数英里的农田将这些城市分隔开来，”布鲁克海文的物理学家和研究合着者Anthony Bollinger说。“城市之间的乡村道路基本上像一个从北到南，从东到西的网格。你希望汽车跟随网格，这是为他们量身定做的。这种对称性破坏就好像每个人都决定离开铺好的道路并直接穿过农民的田地。“
另一方面，科学家研究了对称性破坏电压持续到室温和整个化学成分范围。
“电子以某种方式协调它们在材料中的运动，即使在超导性失效后，”吴说。
强电子 – 电子相互作用可能有助于解释电流的优先方向。反过来，这些固有的电子怪癖可能与HTS现象有共同关系，并提供解码其未知机制的提示。
寻求原子完美
与众所周知的经典超导性不同，HTS已经让科学家们困惑了三十多年。现在，先进的技术正在提供前所未有的见解。
“整个工作中最困难的部分 – 以及让我们与众不同的是 – 细致的材料合成，”研究合着者西赫说。
这项工作是一项耗时12年的大型项目的一部分，其中包括2000多个镧 – 锶 – 铜 – 氧化物超导体薄膜的合成和研究。
“这种研究规模非常适合实验室环境，”布鲁克海文小组负责人Ivan Bozovic说道。
他们使用一种称为分子束外延(MBE)的技术，一次组装一个原子层的复合氧化物。为了确保结构完美，科学家们用电子衍射实时表征材料，电子束撞击样品，敏感探测器精确测量它的散射方式。
“材料本身就是我们的基础，它必须尽可能完美无瑕，以保证观察到的属性是固有的，”Bozovic说。“此外，凭借我们的’数字’合成技术，我们在原子层级别设计了这些薄膜，并针对不同的研究对其进行了优化。”
游泳逆流而上
布鲁克海文MBE小组的这项全面研究的第一个主要成果是 去年在Nature上发表的 。它证明了氧化铜材料中的超导状态是非常不寻常的，挑战了标准的理解。
这一发现表明，所谓的“正常”金属态，其形成超过超导性破坏的临界温度阈值，也可能是非同寻常的。科学家们仔细观察发现，当外部电流流过样品时，出现了与该电流垂直的自发电压。
“我们在十年前首次观察到这种奇怪的电压，但我们和其他人都认为这是一种错误，”博林格说。“然后它再次出现，又一次又一次出现 – 在越来越受控制的情况下 – 我们没有办法解释它。当我们最终进入时，结果超出了我们的预期。“
为了确定这一现象的起源，科学家们制作并测量了数千个HTS胶片图案的器件。他们研究了这种自发电压如何取决于电流方向，温度和化学成分(锶的掺杂水平，它控制着电子密度)。它们还改变了生长HTS膜的基板的类型和晶体结构，甚至基板如何抛光。
这些细致的研究毫无疑问地表明，这种效应是HTS材料本身固有的，其起源纯粹是电子的。
在分子水平上，普通液体在各个方向看起来都是一样的。然而，一些由棒状分子组成，其倾向于在一个优选方向上排列。这种材料被称为液晶 – 它们使光偏振并广泛用于显示器。虽然普通金属中的电子表现为液体，但在铜酸盐中它们表现为电子液晶。
“我们需要了解这种电子行为如何适应整个HTS难题，”他说。“这项研究为我们提供了新的思路，以及如何解决凝聚态物理学中最大的谜团。我很高兴看到这项研究将我们带到了哪里。“