高溫超導材料中電子的排列在過渡狀態下打破空間對稱性

加州理工學院的研究人員證實，高溫超導材料冷卻為超導體之前出現的過渡狀態贗隙（pseudogap）代表一種獨特的物態，其性質與超導體的性質迥然不同。在贗隙狀態下電子會形成非同尋常的排列模式，幾乎破壞了所有的空間對稱性。

翻譯 寒冬

審校 金庄維

圖片來源： Hsieh Lab/Caltech

解釋高溫超導機制是目前實驗物理學最大的難題之一。

超導現象在 1911 年被首次發現。當某些材料冷卻到接近絕對零度時，它們的電阻變為零，因此攜帶電流不會產生熱量或能量損失。相比之下，我們的筆記本電腦不是由超導材料製成，因此存在電阻並會發熱。

將材料冷卻到這樣的超低溫度需要使用液氦。然而，由於液氦非常稀少並且昂貴，物理學家一直在尋找更高溫度下可以實現超導的材料。科學家在 1986 年首次發現了高溫超導體，它們可以在「高達」 138 K（零下 135 ℃）的溫度下實現超導，因此可以用比液氦更便宜的液氮進行冷卻。高溫超導體可用於製造超高效的電源線、醫療核磁共振、粒子加速器以及其他設備。理解高溫超導的機制或許可以讓我們能夠在室溫下使用高溫超導體，給電子設備帶來巨大的改變。迄今為止，超導領域的研究已經獲得了三個諾貝爾獎，但物理學家依然不明白高溫超導的機制。

《自然-物理》最近發表了一篇新文章，加州理工學院的研究人員已經部分破解了高溫超導難題。他們證實，材料冷卻為超導體之前出現的過渡狀態贗隙（pseudogap）代表一種獨特的物態，其性質與超導體的性質迥然不同。

當物質從一個狀態變到另一個狀態（稱作「相」），例如水凍結成冰時，材料中粒子的排列模式會發生變化。物理學家之前已經發現贗隙狀態下電子形成某種序的跡象。但是到目前為止，人們還不清楚它們究竟如何排列，以及這種序（order）是否構成了一種新的物質狀態。

「所有高溫超導體都有一種特殊的性質：它們進入超導狀態之前總是首先進入贗隙狀態。贗隙和超導本身同樣神秘，」加州理工學院的物理學教授和這項研究的負責人 David Hsieh 說。「我們發現，在贗隙狀態下電子會形成非同尋常的排列模式，幾乎破壞了所有的空間對稱性。這為贗隙起源提供了非常引人注目的線索，或許能為研究高溫超導體帶來新的思路。」

超導電子之舞

當電子克服相互之間的排斥，形成電子對時，普通材料就變成了超導體。這種配對要在極低的溫度下發生，這時電子和它們攜帶的電流可以不受阻礙地移動。在常規超導體中，電子配對由超導材料的晶格中的自然振動引起，就像膠水一樣把電子「粘」在一起。

但在高溫超導體中，這種形式的「膠水」不夠強大，無法使電子配對。研究人員認為，贗隙以及電子在這個狀態下如何排列，為理解高溫超導體中電子對的形成提供了線索。為了研究贗隙中的電子排列，Hsieh和他的團隊發明了一種新的基於激光的方法，稱為「非線性光學旋轉各向異性」（nonlinear optical rotational anisotropy）。在該方法中，研究人員用一束激光照射超導材料（這項研究使用的是釔鋇銅氧化物（YBa2Cu3Oy）晶體），然後將半波長處的反射光與入射激光進行對比，揭示晶體中電子排列的對稱性。

對稱破缺指向新物態

不同的物態具有不同的對稱性。例如，當水變成冰時，物理學家就說發生了對稱破缺。

「拿水做例子，」 Hsieh 解釋說，「水分子的朝向相當隨機，想像你在無限大的水池中游泳，無論在哪裡，周圍的環境看起來都是一樣的。但在冰中，水分子形成了規則的周期晶格，所以如果你在一個無限大的冰塊中，坐在氫原子上和坐在氧原子上看到的周圍環境會不同。因此我們說，從水到冰，空間平移對稱性被打破了。」

藉助新的技術，Hsieh 團隊揭示，電子冷卻到贗隙狀態時打破了一組特定的空間對稱——反演對稱和旋轉對稱。「一旦系統進入贗隙區域，反演對稱和旋轉對稱就消失了，這清楚地表明系統進入了新的物態，」 Hsieh 實驗室的博士後，這項研究的主要作者趙劉燕說。「我們正在使用新技術解決一個老問題，這讓人興奮。」

「在贗隙中發現反演對稱和旋轉對稱的破缺極大地縮小了理論的搜尋範圍，因為電子在贗隙狀態下如何自組織存在多種可能性，」 Hsieh 說。「在某些方面，這個不尋常的相可能是超導材料中最有趣的方面。」

隨著一個問題的解決，研究人員著手研究下一個問題。他們想知道在贗隙中電子的這種排列模式在高溫超導體中起什麼作用，以及如何在更高的溫度下實現超導。

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本文地址 http://www.keyanquan.net/thesis/detail/609

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論文基本信息

【題目】A global inversion-symmetry-broken phase inside the pseudogap region ofYBa2Cu3Oy

【作者】L. Zhao, D. Hsieh et.al.

【期刊】Nature Physics

【日期】2016.11.21

【DOI】10.1038/nphys3962

【摘要】The phase diagram of cuprate high-temperature superconductors features an enigmatic pseudogap region that is characterized by a partial suppression of low-energy electronic excitations. Polarized neutron diffraction, Nernst effect, terahertz polarimetry and ultrasound measurements onYBa2Cu3Oysuggest that the pseudogap onset below a temperature T? coincides with a bona fide thermodynamic phase transition that breaks time-reversal, four-fold rotation and mirror symmetries respectively. However, the full point group above and below T? has not been resolved and the fate of this transition as T? approaches the superconducting critical temperature Tcis poorly understood. Here we reveal the point group ofYBa2Cu3Oyinside its pseudogap and neighbouring regions using high-sensitivity linear and second-harmonic optical anisotropy measurements. We show that spatial inversion and two-fold rotational symmetries are broken below T? while mirror symmetries perpendicular to the Cu–O plane are absent at all temperatures. This transition occurs over a wide doping range and persists inside the superconducting dome, with no detectable coupling to either charge ordering or superconductivity. These results suggest that the pseudogap region coincides with an odd-parity order that does not arise from a competing Fermi surface instability and exhibits a quantum phase transition inside the superconducting dome.

【鏈接】http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3962.html