高壓力下光誘導超導現象

漢堡自由電子激光科學中心的馬克斯普朗克結構與物質動力學研究所（MPSD）的科學家小組研究了高外部壓力下鹼摻雜的富勒烯K3C60的光誘導超導現象。

這項研究一方面可以將過渡狀態的特性評估為超導相。此外，依照先前的假設，在溫度遠高於-170攝氏度、甚至一路升溫至室溫的溫度下，它還揭示了在K3C60中誘導超導電性的可能性。

由Cantaluppi等人完成的論文已發表在Nature Physics（「Pressure tuning of light-induced superconductivity in K3C60」）中。

高壓下在金剛石壓腔中研究K3C60中的光誘導超導性。（圖片來源：普朗克物質結構與動力學研究所）

與普通金屬不同，超導體具有傳輸電流的獨特能力且沒有任何損耗。如今，它們的技術上的應用受到其較低工作溫度的阻礙，即使在最佳情況下仍需達到-70攝氏度。漢堡馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所（MPSD）的A. Cavalleri教授的團隊的研究人員門使用激光脈衝激發不同類別的超導材料。在特定條件下，他們在史無前例的高溫下檢測到超導現象的證據，儘管這種狀態持續很短時間，只有很短的一秒鐘

一個重要的例子是K3C60，一種由弱相互作用的C60「巴基球」分子（60個碳原子鍵合成足球形狀）形成的有機分子立方體，其在低於臨界溫度-250攝氏度時處於超導狀態。 2016年，MPSD的Mitrano和他的同事們發現，定製的激光脈衝校準後可以誘導C60分子的振動，可以產生一個短暫的、高導電率的狀態，其性質與處於溫度-170攝氏度（遠高於平衡臨界溫度）的超導體的性質相同

在他們最近的研究中，漢堡普朗克物質結構與動力學研究所的A. Cantaluppi，M. Buzzi及其同事進一步邁出了決定性的一步，他們通過監測外部壓力由金剛石壓腔施加給K3C60後，光誘導狀態的演變。在平衡狀態下，當施加壓力時，鉀摻雜的富勒烯中的C60分子彼此靠得更近。這削弱了平衡超導狀態並顯著降低了臨界溫度。

「了解在K3C60中發現的光誘導狀態是否以與平衡超導體相同的方式響應是唯一確定該狀態性質的關鍵步驟，並且可以提供新的提示，以揭示光誘導高溫超導背後的物理機制」，Alice Cantaluppi說道。

K3C60被有系統地進行研究，在光激發的情況下，壓力從環境條件變化到2.5 GPa（相當於大氣壓的25,000倍）。本論文的作者們測量了隨著壓力增加光誘導導電強度的顯著降低。這種表現與傳統金屬中的行為非常不同，它完全符合超導體的現象學，因此可以首次明確地解釋K3C60中作為瞬態超導相的光誘導狀態。

Michele Buzzi說：「重要的是，我們觀察到，對於更強烈的光激發，我們可以依照先前的假設在遠高於-170攝氏度甚至一路到室溫的溫度下獲得初始的瞬態超導體。」

能夠描述K3C60中光誘導高溫超導現象背後的物理機制的通用的解釋仍然是缺失的，獲得穩定的室溫超導體的最終目標還沒有到來。儘管如此，MPSD團隊引入的新方法將光激發與其他外部刺激的應用相結合，作為外部壓力或磁場，應該朝這個方向鋪平道路，從而能夠產生，控制和理解在複雜的材料中的新現象。

這項工作得到了ERC Synergy Grant「量子材料控制前沿」（Q-MAC）、漢堡超快成像中心（CUI）以及德國聯邦理工學院優先計劃SFB925的支持。實驗是在DESY，Max Planck Society和漢堡大學聯合企業的自由電子激光科學中心（CFEL）的實驗室中進行的。該研究是與帕爾馬大學和義大利的里雅斯特ELETTRA同步輻射裝置的科學家們密切合作進行的。

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