利用太赫茲脈衝技術，研究人員找到了一種方法來檢查接近臨界轉變溫度的超導體中的無序狀態，從而有可能改變我們對這些材料及其應用的理解。無序在物理學中的重要性僅次於研究它的難度。例如，高溫超導體的非凡特性深受固體化學成分變化的影響。能夠測量這種無序性及其對電子特性影響的技術，如掃描穿隧顯微鏡，只能在非常低的溫度下工作，對過渡溫度附近的這些物理現象無能為力。

化學成分的變化會導致超導特性的空間無序，如杯狀超導體La1.83Sr0.17CuO4 中不同顏色的圓圈所示。層間穿隧繼承了這種無序性，這種無序性可以透過角度分辨二維太赫茲光譜中的孤立約瑟夫森回波來測量。資料來源：Jörg Harms， MPSD

現在，來自德國馬克斯-普朗克物質結構與動力學研究所（MPSD）和美國布魯克海文國家實驗室的研究小組展示了一種利用太赫茲光脈衝研究超導體無序性的新方法。透過將核磁共振中使用的方法應用到太赫茲光譜學中，研究小組首次追蹤到超導轉變溫度的傳輸特性中無序性的演變。

超導研究中的突破性技術

超導是一種量子現象，可使電流在無阻力的情況下流動，是凝聚態物理學中最重要的現象之一，因為它具有變革性的技術影響。許多在所謂的”高溫”（約-170 攝氏度）下變得超導的材料，如眾所周知的銅氧化物超導體，其非凡的特性來自於化學摻雜，化學摻雜引入了無序。然而，這種化學變化對其超導特性的確切影響仍不清楚。

在超導體以及更廣泛的凝聚態物質系統中，通常使用具有精確空間分辨率的實驗來研究無序狀態，例如使用極其鋒利的金屬尖端。然而，這些實驗的靈敏度限制了它們在液態氦溫度下的應用，遠低於超導轉變溫度，因此無法研究與轉變本身相關的許多基本問題。

透過太赫茲光譜解決紊亂問題

MPSD 研究人員從”多維光譜”技術中汲取靈感，這些技術最初是為核磁共振開發的，後來被研究分子和生物系統的化學家應用於可見光和紫外光頻率。這種技術是用多個高強度太赫茲脈衝依序激發所感興趣的材料，通常採用的是脈衝沿同一方向傳播的平行幾何結構。

為了研究杯狀超導體La1.83Sr0.17CuO4（ 一種透光率極低的不透明材料），研究小組擴展了傳統方案，首次在非共線幾何中實施了二維太赫茲光譜（2DTS），從而使研究人員能夠根據發射方向分離出特定的太赫茲非線性。

利用角度分辨2DTS 揭示洞察力

利用這種角度分辨2DTS 技術，研究人員觀察到，在太赫茲脈衝激發後，杯狀晶體中的超導傳輸得以恢復，他們將這種現象稱為”約瑟夫森迴聲”。

令人驚訝的是，這些約瑟夫森迴聲顯示，超導傳輸中的無序度大大低於透過掃描顯微鏡實驗等空間分辨技術測量到的超導間隙中的相應無序度。

此外，角度分辨2DTS 技術的多功能性使研究小組能夠首次測量超導轉變溫度附近的無序狀態，並發現這種無序狀態在相對較高的70% 轉變溫度下仍然保持穩定。

超導體研究的未來方向

除了加深對杯狀超導體神秘特性的理解之外，研​​究人員還強調，這些首次實驗為許多令人興奮的未來方向打開了大門。除了將角度分辨2DTS 更廣泛地應用於其他超導體和量子材料之外，2DTS 的超快特性也使其適用於對於傳統的無序探測來說過於短暫的物質瞬態。

編譯自/ scitechdaily