开发新的显微观察技术，使超导空间扰动可视化，有望成为改善超导材料性能的新方法

本研究的要点

• 开发世界上第一个同步辐射显微观测技术，使超导空间扰动可视化
• 现在可以寻找导致高温超导材料质量下降的局部超导特性变化的原因。
• 对提高超导材料性能和阐明新型超导现象的期望

总结

由广岛大学尖端科学与工程科学研究生院三年级博士生 Yudai Miyai、广岛大学同步辐射科学研究所教授 Kenya Shimada、国立量子与放射科学研究所项目负责人（广岛大学同步辐射科学研究所访问研究员）和高能加速器研究机构材料结构科学研究所 Kenichi Ozawa 教授领导的研究团队。通过将同步辐射显微实验技术和数据科学方法相结合，我们在世界上首次成功地在约 10 微米（1/100 毫米）的微观尺度上可视化了超导间隙 （*1） 的空间异质性，该间隙代表了铜酸盐氧化物表现出的高温超导强度 （*2）。这一发现是阐明导致超导性局部变化的因素的重要一步，有望有助于提高高温超导材料（如铜酸盐）的性能，并通过控制非均质性阐明新的超导现象。

高温超导体在可以用廉价冷却剂液氮冷却的温度下电阻为零，因此对节能技术的发展和实现脱碳社会寄予厚望。为了实现利用这些高温超导体的能源器件，需要开发具有大超导间隙且无空间扰动的材料。然而，到目前为止，还没有办法准确观察超导间隙的空间分布，人们一直希望实现这一目标。因此，在这项研究中，我们开发了一种微观技术，使这成为可能。此外，由于这项技术提高了空间分辨率，并将获得的实验数据量增加了数百倍或更多，我们还开发了一种使用数据科学方法进行处理和可视化的方法。结果，我们是世界上第一次成功地观察到，表征高温超导的超导间隙在大约 10 微米的微观区域内在空间上是不均匀的。 此外，研究电子的空间分布成为可能，电子最强烈地表现出高温超导的特性，并研究超导异质性的原因。

由于该技术是一种可广泛应用于高温超导器件评估及其工作原理阐明的实验方法，因此有望为材料科学和应用科学领域做出重大贡献。这些结果将于10月28日（当地时间）在英国的Taylor & Francis集团出版的《先进材料的科学与技术》上发表。

01背景

为了实现脱碳社会，在低温下实现零电阻的超导性有望成为促进节能的王牌之一。超导性是物质在一定温度下冷却时电阻突然下降到零的现象。据说，当电流流过电线或电路时，它会因电阻而产生热量，并且由于发热而损失了百分之数十的功率。这就是为什么工作中的电气产品摸起来很热的原因。如果超导性能够将电阻降低到零并有效利用以前损失的电力，它将显着降低能耗并为碳中和做出重大贡献。一般来说，超导性发生在非常低的温度下，接近绝对零度 （-273°C），因此有必要对材料进行极度冷却。由于冷却也需要能量，因此正在寻找在尽可能高的温度下变得超导的材料。

在超导材料中，铜酸盐高温超导体 （*3） 因其在高于液氮温度（约 -196°C）下冷却的温度下变得超导电而备受关注，而液氮是一种廉价的冷却剂，但即使在高温下也能产生超导性的机制尚未完全阐明。铜酸盐高温超导体的特性之一是代表超导强度的“超导间隙”的大小因位置（空间异质性）而异。这种空间异质性会影响“钉扎效应”，这在超导应用中很重要，因为当施加磁场时，磁通量固定在特定区域。另一个主要特点是，负责超导性的电子会根据它们以波的形式传播的方向（波数 （*4））（波特性的各向异性）改变其特性。由于这种各向异性，对高温超导体晶体取向的响应会根据施加电场或磁场的方向而变化。因此，“空间异质性”和“波动力学特性的各向异性”与高温超导体的性质密切相关，为了阐明高温超导的机理，阐明这些特征之间的关系非常重要。

传统的实验方法包括扫描隧道显微镜/光谱学 （STM/STS） （*5）。使用这种方法，我们可以观察到上述空间异质性，但无法观察到波动力学的各向异性。另一方面，该研究团队开发了一种使用“角度分辨光电子能谱 （ARPES）”（*6） 的实验方法，可以在高水平上观察波动力学特性的各向异性。然而，到目前为止，还没有同时观察高温超导体波特性的空间异质性和各向异性的技术。

02研究结果

详情因此，该研究小组认为，通过微聚焦同步辐射进行 ARPES 测量，可以建立一种同时观察“空间异质性”和“波特性各向异性”的实验技术。在这项研究中，我们使用了高能加速器研究组织 （KK） 光子工厂的微型 ARPES 设备，选择性地观察了铜酸盐高温超导体的超导间隙最大化的波数方向上的电子（图 1）。由于与传统实验相比，数据量增加了数百倍或更多，以便进行具有更高空间分辨率的实验，我们还开发了一种使用数据科学方法提取和可视化超导间隙大小的方法。结果，我们是世界上第一个成功地可视化了微米级微区域中 30 到 40 毫电子伏特 （meV） 之间的超导间隙最大值不均匀（图 2）。另一方面，与 STM/STS 报告的 20-70 meV 范围内的超导间隙值的不均匀分布相比，ARPES 测量的超导间隙的异质性相对较小。

众所周知，在铜酸盐高温超导体中，有两个不同大小的能隙。第一个是“超导间隙”，它有一个小的能量间隙，只出现在超导状态下。另一种是“伪隙”，这是一个大的能隙，即使在高于超导转变温度（正常电导率）的温度下也会出现。考虑到能隙的大小，认为本研究反映了超导间隙的空间异质性，而在 STM/STS 中观察到伪间隙和超导间隙的空间异质性。换句话说，这一结果是世界上第一个捕获超导间隙空间异质性的结果。

此外，本研究开发的技术使得选择具有特定波数的电子来可视化空间异质性成为可能。未来，这项技术有望推进对铜酸盐高温超导体中“空间异质性”和“波特性各向异性”之间关系的理解，并为解开铜酸盐超导体表现出的高温超导机制提供立足点。

03下一步

本研究结果建立了一种实验方法，可广泛应用于高温超导器件的评价及其工作原理的阐明。由于光源的小型化，该技术可实现更高的分辨率。目前，我们正在光子工厂、广岛大学同步辐射科学研究所和 3GeV 同步辐射设施 NanoTerasu （*7） 致力于提高同步辐射亮度和微聚焦。未来，该技术通过将该技术与高亮度和微聚焦同步加速器辐射相结合，发展成为更先进的技术，有望为材料、材料科学和应用科学领域做出重大贡献。特别是，它有望作为阐明新型超导现象的新方法用于许多研究和开发。此外，它还有望为节能技术的进步做出贡献，并成为实现可持续发展社会的重要一步。

▲图 1：显示电子在铜酸盐高温超导体（费米表面）波数空间中的位置的图表。铜酸盐高温超导体的超导间隙在 （π， π） 方向（称为节点方向）为零，在 （π，

0） 或 （0， π） 方向（称为反节点方向）上为最大值（d 波对称性）。在这项研究中，我们选择了波数具有最大超导间隙的电子，并检查了它们的空间分布（图

2）。

▲图 2：世界上第一个通过选择和观察特定电子的成功图表，显示了铜酸盐高温超导体的微表面存在超导间隙异质性。左：使用微聚焦同步加速器辐射的显微光电子

能谱实验的概念图。在不同位置（中心）测量的能量分布曲线证实了超导间隙大小的空间依赖性。在超导间隙的空间分布图（右上）和频率分布图（右下）中也可以

看到异质性。

术语

• • 超导性和高温超导性：材料在冷却时电阻变为零的现象。超导性的实际例子包括磁共振断层扫描 （MRI） 机器和磁悬浮列车。已投入实际使用的铌钛合金等超导材料需要能量来冷却，因为它们变得超导的温度非常低，约为 -263°C。另一方面，高温超导性出现在液氮温度 （-196°C） 及以上，因此对工业应用寄予厚望。
  • 超导间隙：通常，电子会相互排斥，但在超导状态下，电子会形成一对（库珀对），因此参与导电的电子可以串联移动且没有电阻。为了稳定这对电子，电子之间起作用着有效的吸引力，超导态下的能量比常导态（非超导态）下的能量更稳定，两个能量之间存在不连续的跳跃（间隙）。这称为超导间隙，一般来说，超导间隙越大，即使在高温下也能更好地保持其超导状态。
  • 氧化铜高温超导体：一组在高于液氮温度（约 -196°C）时表现出超导性的物质。自 1986 年被发现以来，世界各地的研究一直在进行，但高温超导的机理尚未完全阐明。
  • 波数：与波长的倒数成正比的量，波长越短，波数越大。此外，由于可以根据波的传播方向来确定波的数量，因此它有三个坐标分量。负责超导性的电子表现为波，它们的状态可以通过它们的波数和能量来识别。在铜酸盐高温超导体中，超导性发生在由铜和氧形成的二维平面上，众所周知，超导间隙和伪间隙的大小随波数的方向而变化。
  • 扫描显微镜/光谱学：扫描隧道显微镜 （STM/STS） 是一种实验技术，用于研究具有非常高空间分辨率的材料表面的原子结构和局部电子状态。使用 STM 时，探头放置在非常靠近材料表面的位置，以测量隧穿电流并对表面形状进行成像。使用 STS，您可以扩展 STM 的技术并获得局部电子的能量分布。
  • 角分辨光电子能谱 （ARPES） 是一种详细研究材料电子结构的实验技术。ARPES 可以通过测量高能光（如同步辐射或紫外线激光）入射到材料上时发射的光电子的“能量”和“发射角”来研究材料内部电子能量和波数的分布。
  • 3GeV 高亮度同步辐射装置 NanoTerasu：正式名称是 3GeV 高亮度同步辐射装置。NanoTerasu 是一个昵称。