科學家利用高強度紅外光脈沖發現，在溫度處于開始無阻抗地傳輸電力的臨界溫度以上時，超導電性與材料中電荷“條紋”相關的證據，----這一發現可以幫助他們設計出更好的高溫超導體。

       物理學家Genda Gu在Brookhaven最先進的晶體生長實驗室中舉著LBCO的單晶棒——一種由鑭，鋇，銅和氧組成的復合物。背景圖是他用來合成這些高品質水晶的紅外圖像爐。

       圖片來源：布魯克海文國家實驗室

       該科研團隊已經在含有鑭、鋇、銅和氧元的層狀材料（LBCO）中發現電子以隱藏狀態存在。而當冷卻到一定溫度和一定濃度的鋇時，雖然LBCO在沒有電阻時仍導電，但是現在有證據表明超導狀態實際上也發生在該溫度以上。只是使用合適的工具的問題，只有在這種情況下，利用紅外光的高強度脈沖才能看到它。

       在2月2日出版的《科學》雜志上發表的一篇論文中，該團隊的發現進一步揭示了LBCO和在其他元素之間含有銅和氧夾層的類似化合物中超導電性的數十年的神秘感。這些“銅酸鹽”在比傳統超導體更高的溫度下變成超導體，要使它們的電子以100％的效率流過它們，超導體必須冷凍到接近絕對零度（零下459華氏度）。了解銅酸鹽的內部屬性可以幫助科學家設計更好的高溫超導體，消減昂貴冷卻系統的成本并提高發電、輸電和配電的效率。想象一下，永遠不會升溫的電腦，還有不會損耗能量的電網。

       美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室凝聚態物理和材料科學系中子散射團隊的物理學家兼團隊負責人John Tranquada說，“自20世紀80年代以來我們一直在研究銅礦，最終的目標是在室溫下實現超導電性，如果我們想通過設計做到這一點，我們必須弄清楚哪些特征對于超導性是至關重要的。然而，在諸如銅酸鹽這樣復雜的材料中剔除這些特征并非易事。”

       LBCO的銅—氧平面包含由電子自旋，其是以相反方向交替的一類磁性分開的電荷的“條紋”。為了保證LBCO變成超導體，這些條紋中的單個電子需要在整個材料中配對并能一致移動。

       之前的實驗表明，在保證LBCO變為超導的溫度之上，當電輸送垂直于面時有電阻，但在電輸送平行于面時電阻為零。理論學家們則提出，這種現象可能屬于超導電性的一種不尋常的空間調制，超導狀態的振幅從一個電荷帶移動到另一個電荷帶時，振蕩由正向負。條紋圖案在層與層之間旋轉90度，并且他們認為這種相對方向阻止了超導電子對在層之間的相干移動。

       Tranquada說：“這個想法類似于將光線通過一對光學偏光鏡，比如某些太陽鏡的鏡片，當偏光鏡方向一致時，它們可以通過光線，但當其相對方向旋轉到90度時，偏光鏡會阻擋所有光線。”

       然而，直到現在，一直缺乏這張照片的直接實驗性測試。

       還有一個挑戰是合成實驗所需的LBCO的大尺寸、高品質單晶。Tranquada團隊的物理學家、合著者Genda Gu說：“一個晶體的生長大概需要兩個月的時間，這個過程需要精確地控制溫度、氣氛、化學成分和其他條件。”Gu使用了一臺紅外成像爐（一臺帶有兩盞亮燈的機器），它將紅外光聚焦到一個含有起始材料的圓柱形棒材上，將材料加熱到接近華氏2500度并使其熔化，在國家晶體生長實驗室中生長LBCO晶體。

       馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所以及牛津大學的合作者，隨后將高強度激光脈沖產生的紅外光導向晶體（在垂直于平面的方向上進行光偏振），并測量從樣品反射回來的光的強度。除了通常的反應---晶體反射的光線頻率與入射光線相同，但是科學家們發現反射光信號卻比入射光頻率高三倍。

       “對于具有三維超導性的樣品，超導特征可以通過基頻和三次諧波看到，”Tranquada說，“對于電荷條紋阻擋層間超導電流的樣品，雖然在基頻上沒有光學信號，但是，通過驅動系統與強烈的紅外光平衡，科學家們發現了層間的凈耦合，超導信號出現在三次諧波中。我們曾經懷疑電子配對是存在的，只是需要一個更強的工具來使揭示這種超導機理。”

       漢堡大學理論家對反射率的分析和數值模擬支持這一實驗的觀察結果。

       這項研究又提供了一種新技術來探測高溫超導體中不同類型的電子序列，這種新的認識將有助于解釋銅酸鹽中的其他獨特的行為。