日本研究人員探討鉍基氧化銅超導體Bi2212的強光學各向異性，這是實現室溫超導的關鍵。

（圖片來源：早稻田大學）

氧化銅（CuO2）超導體具有異常高的臨界溫度，例如Bi2Sr2CaCu2O8+δ（Bi2212）。光學反射率測量表明，Bi2212表現出強烈的光學各向異性。然而，通過光學透射率測量進行研究，可以更直接地了解體特性（bulk properties）。現在，研究人員對鉛摻雜Bi2212單晶進行紫外線和可見光透射率測量，從而闡明了這種光學各向異性的起源，能夠更精確地研究其超導機制。

超導體是指當冷卻到臨界溫度以下時無電阻的材料。這些材料在各種領域都有著變革性的應用，包括電動機、發電機、高速磁懸浮列車和磁共振成像。在這些材料中，像Bi2212 這樣的CuO2超導體而脫穎而出，因為它們具有高臨界溫度，超過了巴丁-庫珀-施里弗極限（Bardeen–Cooper–Schrieffer limit），理論上來說，這是超導電性的最高溫度極限。然而，高溫超導體（如Bi2212）中的超導起源仍是物理學中的謎團之一。

這個難題的關鍵部分在于這些材料的二維CuO2晶面，這已經通過各種實驗進行了廣泛研究。光學反射率測量可以分析不同波長的光如何從不同方向反射出晶面，并揭示Bi2212在其“ab”和“ac”晶面都表現出明顯的光學各向異性。光學各向異性描述材料的光學性質根據光穿過材料的方向而變化。現在，雖然反射率測量提供了有價值的信息，但通過對Bi2212的光學各向異性進行光學“透射率”測量，研究光如何以不同波長穿過晶體，可以更直接地了解其體特性。然而，以前很少進行此類研究。

據外媒報道，為了彌補這一差距，由日本早稻田大學（Waseda University）綜合研究機構（Comprehensive Research Organization）、理工學院（Faculty of Science and Engineering）研究人員領導的團隊通過紫外線和可見光透射率測量來探討鉛摻雜Bi2212單晶強光學各向異性的起源。

Toru Asahi教授表示：“實現室溫超導性一直是我們的夢想，這需要了解高溫超導體中的超導機制。這種獨特的方法使用紫外-可見光透射率測量作為探針，能夠闡明Bi2212中的這些機制，使我們離這一目標更近了一步。”參與這項研究的還包括東北大學（Tohoku University）材料研究所Masaki Fujita教授。

在之前的工作中，研究人員使用廣義高精度通用偏振儀來研究Bi2212在室溫下沿其“c”晶軸的光學各向異性隨波長變化的情況。這種儀器功能強大，可以同時透射測量光學各向異性特征——線性雙折射（LB）和線性二向色性（LD），以及紫外到可見光區域的光學活性（OA）和圓形二向色性（CD）。

早期研究結果顯示，LB和LD光譜中存在明顯的峰值。研究人員推測，這些峰值來自Bi2212晶體結構的不相稱調制，其特點是周期性變化與其通常的原子排列模式不相稱。

在這項研究中，該團隊研究了鉛摻雜Bi2212晶體的光學各向異性，以了解事實是否的確如此。Tokita表示：“先前研究表明，在Bi2212晶體中用Pb部分替代Bi可以抑制不相稱調制。”為了做到這一點，該團隊使用浮區法（floating zone method）制造了具有不同鉛含量的Bi2212單圓柱晶體。然后使用水溶性膠帶（water-soluble tape）進行剝離，從這些晶體中獲得允許紫外線和可見光透射的超薄板樣品。

實驗表明，隨著鉛含量的增加，LB和LD光譜中的大峰明顯減小，與抑制不相稱調制一致。這種減少十分重要，因為可以在未來的實驗中更準確地測量OA和CD。

Asahi教授表示：“這一發現使探討贗能隙（pseudo-gap）和超導相中是否存在對稱性破缺成為可能。這是了解高溫超導機制的關鍵問題，有助于開發新的高溫超導體。”

這項研究標志著探索室溫超導性的關鍵一步，這一突破可能徹底改變能量傳輸、醫學成像和運輸等技術。