物理學家一直希望破譯高溫超導體的電子細節：它能夠揭示不同相態與超導性的競爭或相互作用。

據《自然》雜誌報道，美國能源部布魯克海文國家實驗室（BNL@DOE）的科學家們近日首次證實了密度波對的存在。他們認為，密度波對與鉍基氧化銅超導體的超導性共存併產生了相互作用。

BNL物理學家Kazuhiro Fujita說：“我們首次找到了直接的光譜學證據，證明密度波對存在於零磁場環境中。我們發現，密度波對在材料中的作用舉足輕重。”

研究人員用BNL最先進的光譜成像掃描隧道顯微鏡（SI-STM）測試了單個電子的隧道光譜。Fujita說：“通過精細測量，我們可以繪製出晶格和態密度，並描述特定位置的電子數目。”

當材料不具備超導性時，電子存在於一個連續的能量譜中，每一個電子都會按照自己特有的波長傳播。但是當溫度下降，材料進入超導狀態時，電子開始相互作用並配對。當這種情況發生時，科學家會觀察到能譜上出現因特定範圍內缺電子產生的能隙。Fujita說:“能隙的能量等於將電子對分開所需要的能量，這反映了它們結合的緊密程度。”

研究人員掃描材料表面時，他們發現了空間調製的能隙結構。這揭示了電子結合強度的變化——先增加到一個最大值，然後下降到一個最小值。在這種重複模式下，每8個原子會穿過排列有序的晶格表面。

這項研究在此前的測試工作上更進一步，發現電子對隧穿進入顯微鏡時產生的電流也以相同的週期方式變化。電流調製是證明密度波對存在的首個間接證據。

Fujita說：“配對電子電流的調製是一個重要指標，它闡述了電子穿過表面達到何種程度時會存在調製現象。這次，我們通過測量單個電子的能譜，直接測量了電子配對時光譜中的調製能隙。能隙大小的調製是密度波對確實存在的直接光譜學證據。”

Fujita等的發現還提供了密度波的其他關鍵特徵證據——“半渦流”缺陷，以及它與超導相的相互作用。此外，能隙調製對BNL的其他研究也有影響。它表明了電子和磁特性調製模式的存在——某些高溫銅超導體中出現的週期性“銀紋”。

Fujita說：“這些發現共同表明，密度波對在材料的超導效能中起著重要作用。理解這種狀態可能有助於我們分析複雜的相圖。”

期刊編號：0028-0836

原文連結：https://phys.org/news/2020-04-scientists-energy-gap-modulations-cuprate.html