铜氧化物 (CuO2) 超导体，如 Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi2212)，以其显著的高临界温度而闻名。使用光学反射率测量的研究表明，Bi2212 显示出显著的光学各向异性。然而，这一特征尚未通过光学透射测量进行探索，后者可以提供关于材料体相性质的更直接信息。最近，科学家通过对铅掺杂的 Bi2212 单晶进行紫外线和可见光透射测量，揭示了这一光学各向异性的形成原因，便于更清晰地探索其超导机制。
超导体是独特的材料，当冷却至特定临界温度以下时，能够让电流无阻力地流动。这些材料在许多应用中至关重要，包括电动机、发电机、高速磁悬浮列车和磁共振成像。其中，CuO2 超导体如 Bi2212 因其高临界温度而特别引人注目，这些温度超过了巴丁-库珀-施里弗极限——超导性的理论上限。然而，像 Bi2212 这样的高温材料中超导性背后的机制仍然是物理学中的一个重大谜团。
一个关键方面在于这些超导体的二维 CuO2 晶体平面，已经通过各种实验进行了深入研究。光学反射率测量表明，Bi2212 在其“ab”和“ac”晶面上显示出显著的光学各向异性。光学各向异性是指材料的光学特性在光传播方向上的差异。虽然反射率测量提供了有价值的见解，但通过光学透射测量调查光通过晶体在不同波长下的传播，将提供更直接的关于材料体相性质的理解。然而，此类研究直到现在都很少见。
为填补这一空白，由日本研究团队（由早稻田大学科学与工程学院的浅井教授、永川健太博士和硕士生常田圭吾领导）集中研究铅掺杂的 Bi2212 单晶中显著光学各向异性的来源，通过紫外线和可见光透射测量。浅井教授指出：“在室温下实现超导性一直是一个梦想，需要更深入地理解超导性在高温超导体中的工作机制。我们采用紫外-可见光透射测量作为探测技术的方法，能够阐明 Bi2212 中这些机制，让我们更接近这一目标。”该研究也包括来自东北大学材料研究所的藤田雅纪教授，并于2024年11月07日发表在《科学报告》上。
在早期研究中，团队利用最先进的通用偏振仪研究了 Bi2212 在室温下沿其“c”晶轴的光学各向异性的波长依赖性。该先进仪器能够同时测量多种光学各向异性指标——线性双折射 (LB)、线性二向异性 (LD)，以及光学活性 (OA) 和圆二向异性 (CD) 在紫外线到可见光谱中的表现。他们的发现表明，LB 和 LD 光谱中存在显著的峰值，他们推测这些峰源自 Bi2212 晶体结构的非调和调制，特征为与其典型原子排列不一致的周期性变化。
为了验证这一理论，研究团队在当前研究中深入探讨了铅掺杂 Bi2212 晶体的光学各向异性。常田先生解释道：“先前的研究表明，在 Bi2212 晶体中用铅替换部分铋会抑制非调和调制。”为此，团队利用悬浮区法生成了不同铅浓度的单圆柱晶体的 Bi2212，并随后通过水溶性胶带剥离获得适合紫外线和可见光传输的超薄板样品。
实验结果显示，随着铅含量的增加，LB 和 LD 光谱中的显著峰值显著减小，验证了非调和调制的抑制。这个减少至关重要，因为它为未来研究中更精确地测量 OA 和 CD 提供了可能。
关于这些发现，浅井教授表示：“这一发现为检查伪能隙和超导相中是否发生对称破缺铺平了道路，这是解读高温超导机制的一个基本问题。它还促进了新型高温超导体的发展。”
