日本研究人员探讨铋基氧化铜超导体Bi2212的强光学各向异性，这是实现室温超导的关键。
（图片来源：早稻田大学）
氧化铜（CuO2）超导体具有异常高的临界温度，例如Bi2Sr2CaCu2O8+δ（Bi2212）。光学反射率测量表明，Bi2212表现出强烈的光学各向异性。然而，通过光学透射率测量进行研究，可以更直接地了解体特性（bulk properties）。现在，研究人员对铅掺杂Bi2212单晶进行紫外线和可见光透射率测量，从而阐明了这种光学各向异性的起源，能够更精确地研究其超导机制。
超导体是指当冷却到临界温度以下时无电阻的材料。这些材料在各种领域都有着变革性的应用，包括电动机、发电机、高速磁悬浮列车和磁共振成像。在这些材料中，像Bi2212 这样的CuO2超导体而脱颖而出，因为它们具有高临界温度，超过了巴丁-库珀-施里弗极限（Bardeen–Cooper–Schrieffer limit），理论上来说，这是超导电性的最高温度极限。然而，高温超导体（如Bi2212）中的超导起源仍是物理学中的谜团之一。
这个难题的关键部分在于这些材料的二维CuO2晶面，这已经通过各种实验进行了广泛研究。光学反射率测量可以分析不同波长的光如何从不同方向反射出晶面，并揭示Bi2212在其“ab”和“ac”晶面都表现出明显的光学各向异性。光学各向异性描述材料的光学性质根据光穿过材料的方向而变化。现在，虽然反射率测量提供了有价值的信息，但通过对Bi2212的光学各向异性进行光学“透射率”测量，研究光如何以不同波长穿过晶体，可以更直接地了解其体特性。然而，以前很少进行此类研究。
据外媒报道，为了弥补这一差距，由日本早稻田大学（Waseda University）综合研究机构（Comprehensive Research Organization）、理工学院（Faculty of Science and Engineering）研究人员领导的团队通过紫外线和可见光透射率测量来探讨铅掺杂Bi2212单晶强光学各向异性的起源。
Toru Asahi教授表示：“实现室温超导性一直是我们的梦想，这需要了解高温超导体中的超导机制。这种独特的方法使用紫外-可见光透射率测量作为探针，能够阐明Bi2212中的这些机制，使我们离这一目标更近了一步。”参与这项研究的还包括东北大学（Tohoku University）材料研究所Masaki Fujita教授。
在之前的工作中，研究人员使用广义高精度通用偏振仪来研究Bi2212在室温下沿其“c”晶轴的光学各向异性随波长变化的情况。这种仪器功能强大，可以同时透射测量光学各向异性特征——线性双折射（LB）和线性二向色性（LD），以及紫外到可见光区域的光学活性（OA）和圆形二向色性（CD）。
早期研究结果显示，LB和LD光谱中存在明显的峰值。研究人员推测，这些峰值来自Bi2212晶体结构的不相称调制，其特点是周期性变化与其通常的原子排列模式不相称。
在这项研究中，该团队研究了铅掺杂Bi2212晶体的光学各向异性，以了解事实是否的确如此。Tokita表示：“先前研究表明，在Bi2212晶体中用Pb部分替代Bi可以抑制不相称调制。”为了做到这一点，该团队使用浮区法（floating zone method）制造了具有不同铅含量的Bi2212单圆柱晶体。然后使用水溶性胶带（water-soluble tape）进行剥离，从这些晶体中获得允许紫外线和可见光透射的超薄板样品。
实验表明，随着铅含量的增加，LB和LD光谱中的大峰明显减小，与抑制不相称调制一致。这种减少十分重要，因为可以在未来的实验中更准确地测量OA和CD。
Asahi教授表示：“这一发现使探讨赝能隙（pseudo-gap）和超导相中是否存在对称性破缺成为可能。这是了解高温超导机制的关键问题，有助于开发新的高温超导体。”
这项研究标志着探索室温超导性的关键一步，这一突破可能彻底改变能量传输、医学成像和运输等技术。