SLAC科学家们查看轻推式超导性的超快快照

SLAC研究人员查看光驱动超导性的超快快照

(点击完整图像)在此图中,在材料(顶部)的氧化铜层之间的垂直“涟漪”中的电荷条带。当中红外激光脉冲(在中间,红色示出)撞击材料时,它“熔化”这些涟漪,消除了电荷条纹并诱导超导性(底部)。研究人员使用SLAC的LinaC相干光源小心地同步X射线脉冲,测量条纹消失的速度。(Jörg危害/ Max-Planck的结构和动态研究所)

SLAC国家加速器实验室的LINAC相干光源的科学家使用了精心定时的激光脉冲,以捕获光驱动超导性的超快快照。

一项新的研究销落后超导外观背后的主要因素 - 以100%效率进行电力的能力 - 以有前途的氧化铜材料。

科学家在SLAC国家加速器实验室的LINAC相干光源(LCLS)上使用精心定时的激光脉冲对,以触发材料中的超导,并立即将其原子和电子行为的X射线快照随着超导性出现的。

他们发现,随着超导性出现的所谓电荷的“电荷条纹”的增加的电荷熔化。此外,结果有助于排除材料的原子晶格中妨碍超导电性发作的理论。

通过这种新的理解,科学家们可以开发新技术,以消除这些电荷条纹,并帮助铺平房间温度超导,通常认为凝聚物物理的圣杯。在绝缘和超导状态之间快速切换的能力也可以证明在先进的电子设备和计算中有用。

结果,来自来自Max Planck德国和美国能源部的物质结构和动态研究所的科学家领导的合作的合作从德国和美国能源部的斯拉克和布鲁克海汶国家实验室,在2014年4月16日在线发布,在“物理审查”信中

“最短的时间表和对高空间分辨率的需求使这一实验非常具有挑战性,”Max Planck Institute的科学家Co-AuthorMichaelförst表示。“现在,使用飞秒X射线脉冲,我们找到了一种方法来捕获电荷和晶格的四极的动力学和晶格。我们在理解光诱导的超导性时破坏了新的立场。“

LCLS员工科学家Josh Turner表示,“这代表了使用LCLS的超导领域的非常重要的结果。它展示了我们如何在迄今为止的超导性中解开不同类型的复杂机制,直到现在,不可分割。“

他补充说,“要进行这种测量,我们必须推动我们目前能力的极限。我们不得不测量具有最先进的探测器的非常弱,几乎可检测的信号,我们必须调整每个激光脉冲中的X射线数量,以便在不破坏样品的情况下从条纹中看到信号。“

量子砂涟漪

本研究中使用的化合物是由物理学家Genda Gu在Brookhaven实验室生长的镧,钡,铜和氧气组成的层状材料。每种氧化铜层包含关键电荷条带。

“想象一下这些条纹作为涟漪在沙滩中冷冻,”Brookhaven Lab物理学家和参考资料的同盟山。“每个层都有一个方向上的所有涟漪,但在它们横向运行的相邻层中。从上面来看,这看起来像一堆网球拍中的字符串。我们相信这种模式可防止每个层与下一个谈话,从而令人沮丧的超导。“

为了激发材料并将其推入超导阶段,科学家们使用中红外激光脉冲来“熔化”那些冷冻涟漪。先前已被证明这些脉冲在寒冷10kelvin(减去442度)中诱导相关化合物中的超导性华氏温度)。

“电荷条纹立即消失,”希尔说。“但是晶格中的具体扭曲被认为稳定这些条纹,徘徊更长时间。这表明只有电荷条纹抑制超导性。“

频闪快照

为了捕获这些条纹,协作转向SLAC的LCLS X射线激光器,它像一个快门速度比100 FemtoSeconds的快门速度,或者第二次,并提供原子尺度图像分辨率的相机。LCLS使用SLAC的2英里长线性加速器的一部分,以产生提供X射线光的电子。

研究人员使用所谓的“泵探头”方法:光学激光脉冲击穿和激发(泵)晶格和超级X射线激光脉冲在FemtoSeconds和MefteConds中仔细同步,并遵循格子和条纹配置。每一轮测试都会导致更换晶格和电荷条纹的一些20,000个X射线快照,有点像频闪光线,快速照亮该过程。

为了测量具有高空间分辨率的变化,该团队使用称为谐振软X射线衍射的技术。将LCLS X射线撞击并将晶体散射到探测器中,携带材料的充电和晶格结构的时间戳签名,然后物理学家用来重建超导条件的上升和下降。

“通过仔细选择一个非常特殊的X射线能量,我们能够强调来自电荷条纹的散射,”该研究的另一个共同作者Brookhaven Lab Meathericist Stuart Wilkins说。“这允许我们从背景中拨出一个非常弱的信号。”

走向优质超导体

X射线散射测量显示,在电荷条纹熔化和超导电性出现后,晶格畸变持续超过10个皮秒(秒的数量秒) - 长度在少于400毫秒的飞秒之后。稍微像它一样听起来,那些额外的万亿分之越为巨大。

“调查结果表明,相对较弱和持久的格子转变不会在超导存在的情况下发挥重要作用,”希尔说。“我们现在可以缩小我们对条纹的关注,以进一步针对潜在的机制和潜在的工程师卓越材料。”

Max Planck Institute的主任Andrea Cavalleri表示,“光诱导的超导性最近被发现,并且我们已经看到了对理解和更高的温度来迷人的影响。事实上,我们已经观察到在材料中的光诱导超导性的签名一直到300个keelvin(80华氏度) - 这真的是一个重要的突破,这是一个更深入的调查。“

本研究的其他合作者包括格罗宁根大学牛津大学钻石光源,劳伦斯伯克利国家实验室,斯坦福大学,欧洲XFEL,汉堡大学和自由电子激光科学中心。

The research conducted at the Soft X-ray Materials Science (SXR) experimental station at SLAC’s LCLS – a DOE Office of Science user facility – was funded by Stanford University, Lawrence Berkeley National Laboratory, the University of Hamburg and the Center for Free-Electron Laser Science (CFEL). Work performed at Brookhaven Lab was supported by the DOE’s Office of Science.

出版物:M.Först等,“振动驱动的La中的电荷条纹融化1.875BA.0.125cuo.4.:评估电子和格子顺序在沮丧超导体中的各个角色,2014年,物理。rev. lett。112,157002;DOI:10.1103 / physrevlett.112.157002

图片:Jörg伤害/ Max-Planck的结构和动态研究所

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