为什么有些材料只有在冷却到接近绝对零度时才会有无电阻的电流，而另一些材料则在相对较高的温度下才会有？这个关键问题一直困扰着研究超导现象的科学家们。现在，来自德国Hamburg Max Planck物质结构与动力学研究所(MPSD)的Andrea Cavalleri团队的研究人员提供了证据，证明某些铜基化合物中的电子“条纹”可能会导致材料的晶体对称性破缺，即使在超导状态下也会持续存在。他们的工作已在PNAS上发表。

高温超导铜氧化物表面被超短光脉冲照射后会发出太赫兹辐射。这种效应只发生在超导性与电荷条序共存的化合物中。来源：Jörg Harms, MPSD

研究小组聚焦于一系列的铜氧化物，研究了它们的超导态与其他量子相的共存和竞争。这种相互作用被认为是高温超导发展的关键，这一过程仍然是凝聚态物理学中最重要的未解决的问题之一。

研究人员将Brookhaven国家实验室生长和表征的几种铜晶体暴露在超短激光脉冲下。他们观察到这些材料如何开始发射一种特殊的太赫兹(THz)光——一种被称为太赫兹发射光谱的技术。

（A–D）本研究中研究的四种化合物的温度掺杂相图。T_CO、T_SO和T_C分别代表电荷有序、自旋有序和超导临界温度。（E–H）在（A–D）中的整圈指示的温度下，泵注量为2.5 mJ/cm²时，采集的依赖于时间的THz发射轨迹。（E–H）中选定时域记录道的（I–L）傅里叶变换（圆）。

通常，这种发射只发生在磁场或极化电流存在的情况下。然而，MPSD团队在没有施加任何外部偏差的情况下探测了这些铜，并在其中一些铜中发现了“异常”太赫兹发射。这些化合物的特点是所谓的电荷条带顺序——电子排列成链状，而不是自由移动。电荷条纹的顺序似乎打破了材料的晶体对称性，就像磁场或外加电流会做的那样，这种对称性打破持续在超导状态下。

与La_1.905Ba_0.095CuO₄中的平衡约瑟夫森等离子体共振（JPR）的比较。

论文的第一作者Daniele Nicoletti说：“通过对各种化合物进行实验，我们非常惊讶地发现，在一些超导体中，太赫兹发射清晰连贯，几乎是单色的，相反，在另一些超导体中完全没有响应。我们能够合理地将太赫兹发射特征与电荷条纹顺序的存在联系起来，电荷条纹顺序是在各种铜系中发现的一种特殊的有序相，被认为在高温超导机制中发挥了作用。电荷条带很可能导致超导体中的对称性破坏，而这种破坏在过去的其他实验技术中没有发现。”

该团队与来自哈佛大学、苏黎世联邦理工学院和MPSD理论部门的物理学家合作，为这一现象提供了详细的解释。从观察到相干太赫兹发射非常接近“Josephson 等离子体频率”，这是超导电子对穿过晶体铜-氧平面的共振隧穿频率开始，研究人员确定了所谓的“Josephson plasma frequency”作为发射源。这些是在超导体和外部环境之间的界面上形成的声波的类似物。原则上，这些是“沉默”模式，这意味着它们不直接与光耦合，因此不会辐射。然而，正是条带顺序引入的电荷调制的存在，提供了与外界必要的耦合，并允许这些模式发光。

（A）铜酸盐三个相邻平面的电荷密度模式（蓝色渐变比例），带有相称条纹（红色虚线间隔4a，其中A是晶格常数）。（B）一旦失去可公度性，条纹就会波动，或者相邻层之间没有相位关系，反转对称性就会破坏，THz发射就会启用。（C，左）大块约瑟夫森等离子体极化子的平面内色散（红线）。这些模式（右）的发射预计将非常广泛，因为它包含广泛的面内动量qx（灰度阴影）。（D，左）表面约瑟夫逊等离子体的平面外色散（实心蓝线）。这些模式局限于表面，并沿z（平面外方向）传播。由于它们的色散低于光锥（红色阴影），因此预计它们不会辐射到真空中。（右）条纹超导体中表面Josephson等离子体的计算发射光谱。

该团队的工作为导致高温超导的过程提供了重要的新见解。它还揭示了相干异常太赫兹发射作为探测超导体在其他相存在下的对称性的敏感工具。研究人员认为，未来应该将其应用到更广泛的化合物中，为理解这些材料中复杂相互作用的物理机制开辟新的可能性。

来源：Coherent emission from surface Josephson plasmons in striped cuprates, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2211670119