SLAC科学家查看了光驱动超导的超快快照

（单击此处可查看完整图像）。在此图中，电荷的条带在材料的氧化铜层之间（垂直）在垂直的“波纹”中延伸。当中红外激光脉冲（在中间，用红色显示）撞击材料时，它“熔化”了这些波纹，消除了电荷条纹并产生了超导性（底部）。研究人员使用来自SLAC直线加速器相干光源的精心同步的X射线脉冲来测量条纹消失的速度。（约格·哈姆斯/马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所）

SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源的科学家使用精心定时的成对激光脉冲来捕获光驱动超导的超快快照。

一项新研究锁定了一种有前途的氧化铜材料中超导电性出现的一个主要因素，即超导电性的能力（100％的效率）。

科学家在SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源（LCLS）上仔细地定时使用了一对激光脉冲，以触发材料中的超导性，并在超导性出现时立即对其材料的原子和电子行为进行X射线快照。

他们发现，随着超导电性的出现，所谓的电荷增加的“电荷条”消失了。此外，这些结果还有助于排除理论，即该材料的原子晶格移动会阻碍超导性的发生。

有了这种新的认识，科学家们也许能够开发出消除这些电荷条纹的新技术，并为室温超导性铺平道路，而室温超导性通常被认为是凝聚态物理的圣杯。所展示的在绝缘状态和超导状态之间快速切换的能力也可能在先进的电子学和计算中被证明是有用的。

由德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所以及美国能源部的SLAC和Brookhaven国家实验室的科学家领导的合作成果已于2014年4月16日在线发表在《物理评论快报》上。

马克斯·普朗克研究所的科学家迈克尔·佛斯特（MichaelFörst）说：“非常短的时间尺度以及对高空间分辨率的需求，使得这项实验变得异常困难。”“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每秒动态万分之几。我们在理解光感应超导性方面开辟了新天地。”

LCLS的一名科学家Josh Turner说：“这代表了在使用LCLS的超导领域中非常重要的结果。它展示了我们如何在超导中解开迄今仍不可分割的不同类型的复杂机制。”

他补充说：“要进行此测量，我们必须突破现有能力的极限。我们必须使用最新的检测器来测量非常微弱，几乎无法检测到的信号，而且我们必须调整每个激光脉冲中的X射线数量，以观察条纹中的信号，而又不破坏样品。”

量子沙中的涟漪

本研究中使用的化合物是由物理学家Genda Gu在布鲁克黑文实验室生长的由镧，钡，铜和氧组成的层状材料。每个氧化铜层包含关键的电荷条。

布鲁克海文实验室的物理学家，这项研究的合著者约翰·希尔说：“把这些条纹想象成在沙子上冻结的涟漪”。“每一层都有所有的波纹在一个方向上传播，但是在相邻的层中它们是横向延伸的。从上方看，这看起来像一堆网球拍中的绳子。我们相信，这种模式可以防止每一层都与下一层对话，从而使超导性受挫。”

为了激发材料并将其推入超导阶段，科学家使用中红外激光脉冲“融化”了这些冻结的波纹。先前已显示这些脉冲在寒冷的10开氏温度（华氏442度）下在相关化合物中诱导超导。

希尔说：“电荷条纹立即消失了。”“但是，晶格中的特定变形（可以稳定这些条纹）持续了更长的时间。这表明只有电荷条带会抑制超导性。”

频闪快照

为了捕捉这些条纹，双方合作使用了SLAC的LCLS X射线激光器，该激光器的工作原理类似于快门速度超过100飞秒或四分之一秒的相机，并提供了原子级的图像分辨率。LCLS使用SLAC的2英里长的线性加速器的一部分来产生发出X射线光的电子。

研究人员使用了所谓的“泵浦探针”方法：光学激光脉冲撞击并激发（泵浦）晶格，而超亮X射线激光脉冲则经过精心同步，以在飞秒内跟随并测量（探查）晶格和条纹配置。每轮测试都会产生20000张不断变化的晶格和电荷条纹的X射线快照，有点像频闪灯一样迅速照亮了整个过程。

为了以高空间分辨率测量变化，研究小组使用了一种称为共振软X射线衍射的技术。LCLS X射线撞击并散射出晶体进入检测器，并带有时间戳记的材料电荷和晶格结构的签名，物理学家随后将其用于重构超导条件的上升和下降。

布鲁克海文实验室的物理学家斯图尔特·威尔金斯（Stuart Wilkins）说：“通过精心选择非常特殊的X射线能量，我们能够强调电荷条纹的散射。”“这使我们能够从背景中挑选出非常微弱的信号。”

走向卓越的超导体

X射线散射测量表明，晶格畸变持续了10皮秒（万亿分之一秒）以上，这是在电荷条融化并出现超导电性之后很长的时间，而发生这种现象的时间不到400飞秒。听起来可能有些微，但那额外的万亿分之一秒产生了巨大的变化。

希尔说：“研究结果表明，相对弱且持久的晶格移位在超导性的存在下不发挥重要作用。”“我们现在可以将注意力集中在条纹上，以进一步确定潜在的机制并潜在地设计出优质的材料。”

马克斯·普朗克研究所所长Andrea Cavalleri表示：“光感应超导性是直到最近才发现的，对于理解它并提高温度，我们已经看到了令人着迷的含义。实际上，我们已经观察到材料在高达300开氏温度（80华氏度）的过程中都具有光诱导的超导性，这确实是一项重大突破，需要进行更深入的研究。”

这项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。

在SLAC LCLS的软X射线材料科学（SXR）实验站（美国能源部科学局用户设施）进行的研究由斯坦福大学，劳伦斯伯克利国家实验室，汉堡大学和自由电子中心资助激光科学（CFEL）。美国能源部科学办公室支持在布鲁克黑文实验室进行的工作。

出版物：M.Först等人，“振动驱动的La1.875Ba0.125CuO4中电荷带的熔化：评估电子和晶格序在失意的超导体中的各自作用”，2014年，物理。莱特牧师112，157002; doi：10.1103 / PhysRevLett.112.157002

图像：约格·哈姆斯/马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所