光，可以激发超导性吗？

光致超导性

超导性是一种令人着迷的物理学现象，处于超导态的材料可以在没有任何损耗的情况下毫无阻碍地传导电流。

一直以来，科学家都对超导性有着强烈的兴趣，部分原因在于它们的应用潜力。例如，能够在高温下运作的超导体可以帮助实现更有效的电力传输，从而有效地节省能源。不过，物质的这种奇异的集体量子行为，通常只在处于极低温度条件下的某些导体中才出现。

2011年，一些科学家首次提出，某些材料在受到强烈的超短激光脉冲撞击时，可以在远高于正常极限的温度下（包括室温），拥有稍纵即逝的超导性。这种现象被称为“光致超导性”。

在过去的十多年里，表征这种光致导超导态的特性，并了解这种超导态能在多大程度上再现常规超导体的已知特性，已经成为物理学界的一个重要前沿领域。但直至今日，光致超导性仍是一个颇具争议的概念。

近日，在一项于发表在《自然》杂志的研究中，一组研究人员表明，他们观察到了一种在受到光的照射时会排出磁场的铜氧化物。这种排出是超导的一个标志。

寻找迈斯纳效应

过去，许多研究团队已经在所谓的非平衡状态下——也就是在物质被推离热平衡的情况下，对超导性展开了研究。在这类情况下，即使温度仍处在更高的温度条件下，超导性的某些特征似乎也可以被重现。在激光脉冲照射下存在的非平衡高温超导性，或者说光致超导性，可能对一些非常规的超导应用有用，例如在由激光脉冲控制的高速设备中。

当一种材料处于超导态时，除了能够毫无损耗地传输电流外，还能从内部排出磁场。在平衡状态下，这种现象被称为迈斯纳效应，它是载流子（电荷载体）的互相干和它们同步前进的趋势的直接结果。然而，测量光致超导性的磁场排出一直是一个挑战，因为在这种情况下，这种效应只持续几皮秒（1皮秒 = 1 × 10⁻¹²秒），因此想要精确测量磁场的变化几乎是不可能的。

在新的研究中，为了能够非常快速地监测超导体的磁性，研究人员设计了一个特殊的测量方案。他们研究了一类名为钇钡铜氧（YBa2Cu3O6+x，即YBCO）的铜氧化物。这是一类在正常情况下，在-200℃左右的温度下显示出超导性的材料。先前有研究表明，YBCO显示出了光致超导性的迹象。

在实验中，研究人员在YBCO样品旁边放置了一个磷化镓晶体来测量局部磁场强度。他们用激光击中YBCO，并发送第二束激光穿过磷化镓晶体。激光的偏振（电磁波的方向）会因为通过了晶体而发生改变，这种改变在某种程度上由晶体内的磁场决定。

换言之，这个晶体能将磁场的变化转化为激光脉冲的偏振态在飞秒（1飞秒 = 1 × 10⁻¹⁵秒）级上的变化。由于探测脉冲的持续时间很短，他们就可以以亚皮秒的分辨率和前所未有的灵敏度重建YBCO样品周围的磁场变化。如果YBCO变成超导体，那么由于迈斯纳效应，它会从内部排出磁场，导致YBCO边缘的磁场更强。

当被激光（红色）击中时，含有铜原子（蓝球）和氧原子（红球）的铜氧化物会排出磁场（蓝色）。这种效应加强了这种材料的光致超导性。（图/Sebastian Fava, Jörg M. Harms）

而这正是研究人员通过实验发现的。而且由光致导致的磁场排出大小，与通过冷却使这种铜氧化物处于超导平衡状态时测量到的磁场排出大小相当。这表明，用光来驱动这种材料，可能是使其在更接近环境温度的条件下实现超导特性的有效途径。

有待进一步验证

这项研究表明，被光激发的YBa2Cu3O6.48除了具有接近零的电阻外，还能从其内部排出静磁场。不过，由于对YBa2Cu3O6.48的光致超导的微观起源仍缺乏共识，因此尚不清楚这是否就代表了通常定义的超导性。潜在的物理原理可能非常复杂。但毋庸置疑的是，这是一个有价值的实验。如果能通过进一步的仔细审查，确保研究人员没有将其他效应误认为是迈斯纳效应，那么这将无疑是一项突破性的发现。

#创作团队：

撰文：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.mpsd.mpg.de/897440/2024-07-magneticfield-fava?c=2736

https://www.sciencenews.org/article/light-superconductivity-cuprates

#图片来源：

封面图&首图：Sebastian Fava, Jörg M. Harms