通过超导体(一种导电效率能达到100%的材料)操纵能量流动可能会彻底改变当前技术，它将使得超快速、高效率的量子计算机等应用成为现实。但是这需要我们对能量流进行详细的理解，并弄清楚超导材料中的电子和原子核之间的相互作用对能量流的影响。
现在，一个由来自美国能源部的布鲁克海文国家实验室和SLAC国家加速器实验室的科学家组成的研究小组，首次在铜氧化物超导体中观察到这些相互作用。他们结合使用SLAC的超高速“电子照相机”等实验技术，成功测量了原子运动与电子能量、动量变化之间的快速相互作用。
这项研究的负责人、布鲁克海文实验室的科学家Yimei Zhu说: “这些超凡材料的某些特性一直令人困惑，而这一突破为我们提供了对其特性的直接的、基本的了解。”科学家已经间接证明了原子晶格的振动如何影响电子的行为，但现在他们能够直接观察到这些相互作用。
Science Advances发表的研究成果（Bi2Sr2CaCu2O8 δ单晶的非平衡电子和晶格动力学的强烈相关性”） 有助于推进在氧化铜中发现的高能瞬时现象（包括高温超导性）研究，并帮助科学家设计出新的、性能更好的材料。
Stony Brook大学的研究生Tatiana Konstantinova是文章的主要作者，她的论文工作是在布鲁克黑文实验室完成的，她说：“我们发现了一个微妙的原子景观，超导体内的某些高频”热“振动的地方会迅速从电子处吸收能量并增加强度。然而，晶格的其他部分反应缓慢。这种分层的相互作用转变了我们对铜氧化物的理解。”
能量流的超快速原子快照
该团队研究了一种著名的超导氧化铜（Bi-2212），其电子与核晶格之间表现出强烈的相互作用。实际上，晶格总是在振动，并且，即使注入非常少量的能量也可以增强振动幅度。
Zhu说“这些原子的振动是严格离散的，这意味着它们会在特定的频率上分离。我们把特定频率的振动称为声子，研究它与流动电子的相互作用是我们的目标。”
这项研究的挑战在于电子-声子之间的相互作用时间极其短暂，涉及飞秒时间尺度上的极快的原子运动，或者作用时间仅仅只有十亿分之一秒。科学家必须弄清楚这些动作并且了解它们的作用，才可能将它们应用于未来的研究当中。
在这项新研究中，研究团队使用SLAC仪器的高能电子束进行超快电子衍射（UED），以拍摄超导体中沉积能量的短光脉冲后的原子响应快照。
SLAC物理学家Xijie Wang在开发利用高能电子的思想上发挥了重要作用，他说：“UED方法是揭示超快核运动和理解能量如何流过这种材料的关键。”
然后，利用德国Duisburg-Essen大学的时间分辨角分辨光电子能谱（tr-ARPES）技术，研究小组还追踪了光脉冲对材料中的电子的影响，揭示了能量和动量随时间的变化。
通过这些技术的结合，科学家们能够将核运动与电子行为联系起来——在某种程度上，他们发现这种互动与之前的直觉认知是相悖的。例如，他们发现光脉冲中的能量以不同的速率从电子流向不同的振动原子，这与材料受热时的能量流动非常不同。
Konstantinova说:“我们的数据为复杂系统中的非平衡行为提供了新的定量描述。该实验方法很容易应用于其他备受关注的材料，让我们可以深入研究其电子晶格之间的相互作用。”
原文来自nanowerk.原文题目：Ultrafast atomic snapshots reveal energy flow in superconductor.
