科学家发现静态的条纹内铜氧化物超导体的电荷
复合氧化物或由铜和氧的化合物可以导电无阻力由被”掺杂”与其他化学元素和冷却到低于零下 210 华氏度的温度。尽管这种现象的广泛研究 — — 称为高温超导 — — 科学家们仍然不知道它是如何工作。以前的实验已经建立，下令电荷称为”电荷条纹”的安排与超导电性的许多形式的复合氧化物共存。然而，这些条纹的确切性质 — — 具体来说，他们是否波动随着时间的推移 — — 他们与超导电性的关系 — — 是否他们鼓起一起或针对电子那双和流无能量损失 — — 一直是个谜。
现在，科学家在美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室已经表明，静态的而不是波动，电荷条纹与共存超导铜氧化物在镧和钡添加一定量的时候。在 10 月 11 日在物理评论快报上发表一篇论文所述，他们的研究表明，这种静态排序的电荷可能合作，而不是竞争与超导电性。如果这种情况，然后，定期串在一起，形成静电电荷条纹可能分开在太空中自由移动的电子对所需的超导电子。
“理解这些化合物如何工作的详细的物理帮助我们验证或排除现有的理论和应指向通往食谱如何提高超导温度，道路”说论文合著者马克 · 迪恩，物理学家在 x 射线散射集团凝聚态物理和材料科学部在布鲁克海文实验室”提高这一温度是在无损电力传输中的超导应用的关键。
时间的考验的电荷条纹
若要查看是否收费条纹是静态或波动在其化合物中，科学家们使用了一种叫做 x 射线光子相关光谱技术。在这种技术，一束相干 x 射线发射的样本，导致 x 射线光子，或轻的粒子，以分散掉样品的电子。这些光子落到专门的、 高速的 x 射线相机，在那里他们产生电信号转换为数字图像的散射模式。基于光线与样品中电子的进行交互，该模式包含称为散斑的粒状黑暗与光明点。通过研究这种”散斑模式”随着时间的推移，科学家可以告诉是否以及如何收费条纹变化。
在此研究中，x 射线源是国家同步辐射光源 II (NSLS-II)，美国能源部办公的科学用户设备在布鲁克海文国家实验室相干软 x 射线散射 (CSX-1) 光束线。
“它会很难做这个实验在别处在世界上，”说︰ 共同作者斯图尔特 · 威尔金斯，经理的软 x 射线散射和谱程序在 NSLS II 和 CSX 1 光束线的首席科学家。”只有一小部分的铜氧化物中的总电子参与电荷条纹秩序，所以从这个铜氧化物的分散 x 射线的强度是非常小。因此，我们需要看到斑非常激烈，高度相干 x 射线束。NSLS II 前所未有的亮度和相干的光子通量使我们能够实现这种光束。没有它，我们不能辨别的电荷条纹非常微妙的电子订单。”
团队的散斑图是一致在近三小时测量期间，这表明，该化合物具有高度静态电荷条纹有序。以往的研究只已经能够确认这个静态的订单到时间刻度的微秒，所以科学家不能确定的如果任何波动会出现超出该点。
X 射线光子相关光谱是科学家可以使用测试这些波动在很长的时间尺度上的几个技术之一。布鲁克海文国家实验室的科学家团队 — — 代表的布鲁克海文实验室的核心部门之一，其用户设施之间的紧密协作 — — 是第一个运用技术来订购此特定铜氧化物中的电荷。威尔金斯说:”在高温超导和 x 射线散射的能力在 NSLS II 结合我们的专业知识是一个伟大的方式来探讨研究，这种”。
为了在如此长的时间进行精确的测量，团队不得不确保实验的设置是非常稳定。”保持相同的 x 射线强度和样品位置对 x 射线束是至关重要的但这些参数变得更加难以控制，随着时间的推移和最终是不可能的”说院长。”当建筑物的温度变化或有振动从汽车或其他实验时，事情可以移动。NSLS 二曾经过精心策划，以抵消这些因素，但不是无限期.”
“X 射线束在 CSX 1 是稳定在 10 微米梁柱的截面尺寸非常小部分内超过我们将近三小时的实际限制，”添加小倩陈，共同第一作者和 x 射线散射组在布鲁克海文国家实验室的博士后。CSX 1 性能超过了任何其他软 x 射线光束线目前业务在美国。
部分的实验中，科学家们加热化合物来测试是否热能源可能会导致电荷条纹波动。他们观察到没有波动，甚至达到的化合物已知停止表现为超导体的温度。
让我们吃惊的电荷条纹所以非常静，是有这样长的时间尺度和温度范围，”说共同第一作者和博士后 Vivek Thampy 的 x 射线散射组。”我们以为我们可能会看到一些附近哪里电荷条纹订单消失了，但我们没的转变温度的波动。
在最后的一次检查中，团队从理论上计算散斑图样，与他们的实验数据相一致。
展望未来，团队计划使用这种技术来探讨在不同化学成分的复合氧化物的指控的性质。
X 射线散射测量得到的支持中心为急诊超导电性，由能源部科学办公室能源前沿研究中心。
关于美国布鲁克海文国家实验室
布鲁克海文国家实验室被支持由美国能源部科学办公室。科学办公室是单一的最大支持者在美国，物理科学基础研究和正在努力解决一些我们这个时代最紧迫的挑战。有关详细信息，请访问 science.energy.gov。