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          一个新的工具来攻击高温超导之谜

          5月31日,2012
          按:保罗·普雷斯,伯克利实验室
          从角分辨光电子能谱得到的超快激光bi2212势头图的一部分,显示通过泵探头初始激励后,如何快速的准粒子结合成库珀对在很大程度上依赖于他们的动量空间位置。 (只有费米表面动量地图的四个角中的一个被示出,如在左图插图。)接近准粒子重组非常缓慢的中心节点。远处的节点,他们很快重组。

          超导,其中电流不流过电阻,承诺大量节约能源 - 从低压电网由于没有传输损耗,电动机和发电机超高效率,以及无数的其它方案。这样的日常应用,但仍然躺在未来,在传统的金属超导因为不能胜任。

          他们发挥重要作用,虽然在科学,工业,医药,常规超导体必须保持在气温几度绝对零度以上,这是棘手的和昂贵的。使用将取决于更宽温度超导体更高,可以功能大大高于绝对零度。已知但高温(高温超导)超导体是复杂的电子结构,其材料,尽管工作几十年,有不清楚仍远。

          现在队在美国科学家的能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校,导致亚历山德拉通过合作与约瑟夫奥伦斯坦和实验室材料科学部(MSD)的粪海利推出的系,你已经使用了一个新的和独特而强大工具来攻击一些最大的障碍理解高温超导体的电子态 - 以及他们如何可能最终被投入实际使用。他们的研究小组报告在该杂志的2012年6月1日,发行使用角分辨光电子能谱(角分辨光电子超快光谱)的超快激光 科学.

          配对关闭电子

          库珀对电子的是超导电性的标志,与它们的晶体周围形成几乎没有相关的电荷载体的海洋进行交互。形成对在常规超导体这些是公由巴丁库珀施里弗(BCS)理论所描述的。随着高温超导体,然而,情况并不简单。

          “该机制在高温超导体结合库珀对一起在材料科学的大谜团之一,”克里斯托弗·斯莫尔伍德,扔的小组成员,第一作者说: 科学 纸。 “随着我们已经超快激光角分辨光电子能谱做是开始一个高温超导体称为bi2212和冷却它远低于临界温度超导哪里就成了。”

          研究者烧制压的红外线激光在所述样品中,暂时一些制桶裂化打开对它们的组成部分之中,所谓的准粒子的。如腐烂,重组回到Cooper对这些国家,研究人员用来测量角分辨光电子能谱他们的能量和动量改变。

          “松弛过程从开始需要一秒钟的短短数万亿分之到结束,并在年底,我们能够聚集并观看库珀对的形成极为缓慢的动画短片 - 这表明该准粒子倾向于重组加快或更慢取决于双方的发展势头,在泵浦脉冲的强度,“斯莫尔伍德说。 “这是一个令人兴奋的发展,因为可以直接连接到机构持有库珀一起对这些趋势。”

          库珀对具有比两个独立的电子能量少,留下库珀对海洋和在材料中的电荷载流子的通常最低能量之间的能隙。的ESTA超导能隙的地图可以计算 - 或,引人注目的是,它们可以直接通过载流子自己绘制。

          在ARPES实验中,动量和电子的角度被松散敲即通过光的足够能量束被用于绘制出一个平面检测器上的设备的动量空间。动量空间图的能带结构的材料,能级接触到它的电荷载体。

          长用于探测的材料的电子结构,ARPES随着同步加速器相关联一般光源像伯克利实验室的先进光源(ALS),其产生的x射线极亮束。激光角分辨光电子能谱要简单得多,但在能源有限公司。

          “我们坚持用5.9伏的光子能量电子,我们不能调整它了,就像我们莫非在ALS,”斯莫尔伍德说。 “但是,偶然ESTA能量看着高温超导体是伟大的,和低光子能量分辨率为我们提供了更好的势头。”

          最高温超导体,包括bi2212,像铜氧化物陶瓷,含有丰富的铜和氧。在几乎所有的传统的金属超导体的超导能隙是均匀的,但是在铜酸盐它差别很大。对于一些动量的差距很大,但在动量空间四个特殊点降至一路为零。在间隙中,例如“节点”的存在是铜酸盐高温超导体的区别特征。

           

          超快激光器打开新的观点

          “如果是这种超快激光角分辨光电子能谱,这是只有五岁关于,真正发挥作用,给我们造成无法通过其他方式访问,”斯莫尔伍德说。 “我们使用激光器是钛蓝宝石激光可发射飞秒级脉冲。”(A飞秒是一秒钟的若干千万亿)。

          克里斯托弗·斯莫尔伍德(左)率领的角分辨光电子能谱工作,而詹姆斯带领韩丁光工作。从右上方插图,带领合作推出亚历山德拉约瑟夫·奥伦斯坦和粪便海利。随着都是伯克利实验室材料科学部和物理学的加州大学伯克利分校的部门。

          在相同压力梁红外线泵创建按被分割,以形成更有力的紫外线探测脉冲,通过使其中的一部分通过倍频晶体。时间延迟泵和探头之间可以用飞秒精度使用机动镜来改变探头行进按下它到达样品之前的距离来调节。微小的样品可以倾斜到什么能带结构的一部分正在被审查的ARPES需要的话,它确定任何角度。

          通过这种方式,研究小组发现最初的激发能量的准粒子动量空间中的位置,以及如何迅速衰减准粒子之间的关系。更大的初始激发能更快重组到给出库珀对,但这样做晶体动量远离节点。随着势头的准粒子那地方他们非常缓慢的费米面衰减的节点附近。

          当附加的超快全光技术,使用红外为两个,分别适用于同一样品泵和探测脉冲,结果吻合良好ARPES。

          “那这是令人兴奋,现在我们能够清楚这些重组措施的组成部分,看看各贡献,”斯莫尔伍德说。 “这给了我们方式对新的手柄来评估一些候选思想关于Cooper对如何形成的,如建议,即从一个节点的能量和准粒子的动量远可与自旋密度或电荷密度波,形成库珀共鸣对。我们已经证明来衡量这和其他的想法,看看它们在过渡到高温超导一个显著作用的方式。“