太赫兹脉冲技术帮助揭开超导体无序性的奥秘

利用太赫兹脉冲技术，研究人员找到了一种方法来检查接近临界转变温度的超导体中的无序状态，从而有可能改变我们对这些材料及其应用的理解。无序在物理学中的重要性仅次于研究它的难度。例如，高温超导体的非凡特性深受固体化学成分变化的影响。能够测量这种无序性及其对电子特性影响的技术，如扫描隧道显微镜，只能在非常低的温度下工作，对过渡温度附近的这些物理现象无能为力。

化学成分的变化会导致超导特性的空间无序，如杯状超导体 La1.83Sr0.17CuO4 中不同颜色的圆圈所示。层间隧穿继承了这种无序性，这种无序性可以通过角度分辨二维太赫兹光谱中的孤立约瑟夫森回波来测量。资料来源：Jörg Harms， MPSD

现在，来自德国马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）和美国布鲁克海文国家实验室的一个研究小组展示了一种利用太赫兹光脉冲研究超导体无序性的新方法。通过将核磁共振中使用的方法应用到太赫兹光谱学中，研究小组首次跟踪到超导转变温度的传输特性中无序性的演变。

超导研究中的突破性技术

超导是一种量子现象，可使电流在无阻力的情况下流动，是凝聚态物理学中最重要的现象之一，因为它具有变革性的技术影响。许多在所谓的"高温"（约 -170 摄氏度）下变得超导的材料，如众所周知的铜氧化物超导体，其非凡的特性来自于化学掺杂，化学掺杂引入了无序。然而，这种化学变化对其超导特性的确切影响仍不清楚。

在超导体以及更广泛的凝聚态物质系统中，通常使用具有精确空间分辨率的实验来研究无序状态，例如使用极其锋利的金属尖端。然而，这些实验的灵敏度限制了它们在液氦温度下的应用，远远低于超导转变温度，因此无法研究与转变本身相关的许多基本问题。

通过太赫兹光谱解决紊乱问题

MPSD 研究人员从"多维光谱"技术中汲取灵感，这些技术最初是为核磁共振开发的，后来被研究分子和生物系统的化学家应用于可见光和紫外光频率。这种技术是用多个高强度太赫兹脉冲依次激发所感兴趣的材料，通常采用的是脉冲沿同一方向传播的平行几何结构。

为了研究杯状超导体 La1.83Sr0.17CuO4（ 一种透光率极低的不透明材料），研究小组扩展了传统方案，首次在非共线几何中实施了二维太赫兹光谱（2DTS），从而使研究人员能够根据发射方向分离出特定的太赫兹非线性。

利用角度分辨 2DTS 揭示洞察力

利用这种角度分辨 2DTS 技术，研究人员观察到，在太赫兹脉冲激发后，杯状晶体中的超导传输得以恢复，他们将这种现象称为"约瑟夫森回声"。

令人惊奇的是，这些约瑟夫森回声显示，超导传输中的无序度大大低于通过扫描显微镜实验等空间分辨技术测量到的超导间隙中的相应无序度。

此外，角度分辨 2DTS 技术的多功能性使研究小组能够首次测量超导转变温度附近的无序状态，并发现这种无序状态在相对较高的 70% 转变温度下仍然保持稳定。

超导体研究的未来方向

除了加深对杯状超导体神秘特性的理解之外，研究人员还强调，这些首次实验为许多激动人心的未来方向打开了大门。除了将角度分辨 2DTS 更广泛地应用于其他超导体和量子材料之外，2DTS 的超快特性还使其适用于对于传统的无序探测来说过于短暂的物质瞬态。

编译自/scitechdaily