正如黑洞是空间中的奇点,量子临界点是量子材料不同状态间的点状交叉点。在这里,有可能出现各种奇异的电子行为。
量子临界点(QCP)是量子材料不同状态间的点状交叉点。研究人员通过给材料施加强磁场、高压,或者掺杂某些原子,可以将材料调整至QCP,由此实现超导。然而,科学家们对超导材料QCP的理解仍然相当有限。
美国能源部SLAC国家加速器实验室科学家、斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)研究员Wei-Sheng Lee说:“QCP是一个非常热门的话题。有人认为,从某种意义上讲,它与黑洞非常相似。在QCP附近,科学家可以发现各种奇怪的电子行为。”
8月31日,Lee等在《自然?物理学》杂志中报告说,他们使用共振非弹性X射线散射技术(RIXS)探测了高温超导材料铜酸盐的电子行为,发现了QCP及其相关涨落的确存在的有力证据。
近年来,高温超导体研究如火如荼。目前,还没有人了解高温超导背后的微观机理。铜酸盐中是否存在QCP也充满争议。
在英国钻石光源(DLS)的实验中,研究人员将铜酸盐冷却到零下183摄氏度左右,使其转变为超导材料,然后重点关注了电荷序。接着,研究人员用X射线激发铜酸盐,并测量了散射到RIXS探测器中的X射线,以分析激发态以声子形式在材料原子晶格中的传播情况。同时,X射线和声子还激发了电子的电荷序条纹,引发条纹涨落。RIXS提供的数据反映了电荷条纹行为与声子行为之间的耦合,因此通过观测声子,研究人员也能测定电荷序条纹的行为。
科学家们的预期是,当电荷序条纹变弱时,激发态也会减弱。Lee说:“观测结果非常奇怪。当超导态的电荷序变弱时,激发态反而增强了。据我所知,这是首个显示这种‘悖论式’结果的电荷序实验。有观点认为,这是系统接近QCP时的表现。在QCP时,量子涨落变得非常强烈,甚至‘融化’了电荷序——就像加热冰块,增强了刚性原子晶格的热振动,使其融化成水。两者的区别在于,量子融化一般发生在零点温度。我们在RIXS中观察到的意外强电荷序激发就是量子涨落的证据。”
Lee表示,团队正在更广泛的温度范围,以及不同掺杂条件下,研究这种奇特的现象,以确定能否更准确地找到铜酸盐材料的QCP。
SIMES理论科学家、论文作者Thomas Devereaux指出,许多相态可以在铜酸盐和其他量子材料中产生纠缠。他说:“超导态和磁状态、电荷序条纹强烈纠缠在一起,以至于你可以同时观察到多种状态。然而,受困于传统思维方式,很多人还认为它们是非此即彼的。我们正在尝试挖掘出更多细节。”
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