用一台 GHFLI 锁相放大器完成超声脉冲回波测量，探索超导体

自荷兰物理学家昂内斯（H. Kamerlingh Onnes）发现超导现象以来，一个多世纪过去了。这种以零电阻和完全抗磁性为标志的量子物态，至今仍是最活跃的研究方向之一，尤其是围绕非常规超导体展开的那部分工作。

在帮助我们理解超导的众多实验手段中，超声测量占有相当重要的位置：一方面可以测量声波的衰减，并由此提取超导序参量；另一方面可以测量声速——这是一个对相变（比如从正常金属进入超导态）极为敏感的热力学量。

在很长一段时间里，超声测量装置基本都得靠研究人员自己搭建，对电子学功底的要求很高。对于能够选择性探测不同对称性声学模式的脉冲回波技术来说，情况更是如此。

它的基本原理是这样的：先把一个射频（RF）电脉冲送入粘接在待测晶体上的换能器（图 1a），转换成声波；声波在样品内部来回传播，幅度逐次衰减（图 1b）；这些声学回波再经同一个换能器（或第二个换能器）转换回电信号。

要完成一次测量，需要拿到两组信息：

1. 各次回波的幅值，其逐次衰减直接反映声衰减；
2. 至少一次回波的相位，由此提取声速的相对变化。

实际上，在射频频率固定的条件下，有一个相当精确的近似：声学相位的相对变化 $\Delta\phi_i/\phi_i$ 就等于 $-\Delta v/v$，其中 v 是特定对称性声学模式的声速。

上面这些需求，一台苏黎世仪器 GHFLI 1.8 GHz 锁相放大器就能全部满足。此前 UHFLI 600 MHz 锁相放大器已经验证过这条思路（见文献 [1]），如今它被推进到了更高的频段。

在苏黎世仪器 Romain Stomp、Heidi Potts 和 Kivanç Esat 的支持下，格勒诺布尔奈尔研究所的 Quentin Barthélemy 和 Mehdi Frachet 搭起了这样一套超声测量装置：脉冲的产生与探测全部由一台仪器完成。图 2 是装置的实物照片。

GHFLI 产生射频电脉冲，经换能器转换为声波；样品返回的各次回波送入 GHFLI 的输入端，以相同频率解调。解调信号的幅值变化给出声衰减的变化，相位则直接对应声速的变化。

激励脉冲与回波之间的时间间隔很短，待测的又是短脉冲，GHFLI 的高灵敏度、快速解调带宽和高数据传输速率因此显得格外关键。在这次实验中，研究人员用 GHFLI 产生了长度 200 ns、调制频率数百 MHz 的超声脉冲，并测量了接收信号的幅值和相位随温度、磁场的变化。

为了让实验流程更顺手，Quentin 还用 Python 写了一个图形界面（GUI），用来设置调制频率、脉冲重复频率、输出幅值和回波采集时长等参数。目前的版本还支持回溯查看同一个初始脉冲产生的任意一次回波、检查结果的重复性，并把全部回波波形保存下来——这对后续的深入数据分析非常重要。

在铌测试样品上完成的首批测量，验证了这套装置的可靠性，也展示了 Python 界面带来的便利（图 3a）。

图 3b 给出了临界温度 T_c = 9.2 K 附近回波幅值随温度的变化。与预期一致 [2]，可以清楚看到回波幅值的指数增长，也就是声衰减开始下降。与之相伴的声速异常（图中未给出）则以 ppm 级的分辨率，揭示了晶格与特定对称性超导序参量之间的耦合。

这些结果令人振奋，说明用 GHFLI 完全可以对超导体开展高分辨率的超声测量。

接下来的研究会转向非常规超导体，也就是库珀对形成机制仍不清楚的那一类材料。

技术上，我们会把这类测量推向更高频率，把 GHFLI 的频率范围用足。这样不仅能大幅提升声衰减测量的分辨率，也为研究更高频的动力学效应打开了空间。

[1] Galeski et al., arXiv:2210.13221 (2022)

[2] Ikushima et al., J. Phys. Chem. Solids 27, 327-334 (1966)