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高溫超導(dǎo)機(jī)制探索最新進(jìn)展──鈦酸鍶 |
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| 超導(dǎo)材料的一個(gè)奇特性質(zhì)是它們排斥磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致磁體浮起。 直到大約50年前，所有被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)現(xiàn)象的材料都是金屬。 這也不無(wú)道理，因?yàn)榻饘僦写嬖诖罅靠勺鳛檩d流子的自由電子，它們可以自由配對(duì)并流動(dòng)形成電流，而超導(dǎo)性的標(biāo)志就是電子漂移無(wú)阻抗，導(dǎo)電效率百分之百。 接著一種全新的的材料—鈦酸鍶出現(xiàn)了，它是第一種被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)性的半導(dǎo)體氧化物材料。 通常情況下，它不具有超導(dǎo)體的典型特征，幾乎沒(méi)有可自由移動(dòng)的電子，但當(dāng)條件合適時(shí)，它可轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，遺憾的是，沒(méi)人能解釋其中緣由。 近期，科學(xué)家們開始詳細(xì)研究鈦酸鍶的超導(dǎo)行為。他們發(fā)現(xiàn)了比預(yù)想中更為怪異的現(xiàn)象。對(duì)他們而言，這是個(gè)好消息，因?yàn)檫@為他們一個(gè)研究“高溫”超導(dǎo)性提供了一個(gè)新角度，并為未來(lái)下一代高效輸電線、懸浮列車和其他革命性技術(shù)的發(fā)展提供了突破的契機(jī)。 致力于該項(xiàng)工作的研究團(tuán)隊(duì)由美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)，并于1月30日將他們的研究成果發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上。 阿德里安斯沃茨是斯坦福材料與能源科學(xué)研究所(SIMES)的一名博士后研究員，與其帶領(lǐng)研究生Hisashi Inoue一起進(jìn)行該項(xiàng)工作的實(shí)驗(yàn)部分，他說(shuō)：“以光譜來(lái)表征的話，若傳統(tǒng)的金屬超導(dǎo)體處于光譜的一端，那么鈦酸鍶則會(huì)處于光譜另一端的最極端處，它是我們所了解的任何超導(dǎo)體中自由電子密度最低的。 鈦酸鍶只是眾多所謂’非傳統(tǒng)’超導(dǎo)體的材料之一，由于目前的理論還無(wú)法解釋這些超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理，我們希望通過(guò)研究其極端行為，從內(nèi)部深入了解引發(fā)超導(dǎo)性的緣由，這其中就包括在高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。” 關(guān)于超導(dǎo)機(jī)制，目前最為廣泛接受的是BCS理論（命名于理論提出者的姓名首字母）。根據(jù)BCS理論，常規(guī)超導(dǎo)性是由材料的晶格原子自然振動(dòng)而引發(fā)的，晶格振動(dòng)導(dǎo)致載流電子配對(duì)并凝結(jié)成超流體，流體穿過(guò)材料沒(méi)有任何電阻，沒(méi)有任何電損耗。理想的超導(dǎo)材料中含有高密度快速移動(dòng)的電子，甚至很微弱的晶格振動(dòng)足以將電子對(duì)粘合在一起。但是跳出BCS理論，在非傳統(tǒng)超導(dǎo)體領(lǐng)域，沒(méi)有人知道將電子對(duì)粘合在一起是什么，也沒(méi)有任何人提出對(duì)應(yīng)的理論。 Harold Hwang是斯坦福斯坦福材料與能源科學(xué)研究所該研究團(tuán)隊(duì)的一名教授，他說(shuō)：“為了找到鈦酸鍶超導(dǎo)行為的材料內(nèi)部線索，科學(xué)家們必須弄清楚如何將隧穿譜這一重要的工具應(yīng)用于研究這種材料的超導(dǎo)行為， 為此，我們進(jìn)行了幾年時(shí)間的準(zhǔn)備。其實(shí)十幾年來(lái)我們一直想做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，這是一個(gè)技術(shù)性難題， 據(jù)我所知，這是從這個(gè)材料的隧道實(shí)驗(yàn)中得到的第一套完整的數(shù)據(jù)。 除此之外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們的團(tuán)隊(duì)還能夠觀察到對(duì)材料摻雜時(shí)其內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)。此外，隧穿譜實(shí)驗(yàn)表明，鈦酸鍶與我們所期望的的超導(dǎo)體性質(zhì)完全相反：它的晶格振動(dòng)十分強(qiáng)烈，內(nèi)部載流電子極少，電子遷移速度很慢。這是一個(gè)完全顛倒的系統(tǒng)�！� Swartz補(bǔ)充道：“然而在電子的行為和密度以及形成超導(dǎo)態(tài)所需的能量等細(xì)節(jié)方面，鈦酸鍶幾乎都與期望的傳統(tǒng)BCS理論相匹配。因此，鈦酸鍶似乎是一種在某些方面與傳統(tǒng)的超導(dǎo)體相似的非常規(guī)超導(dǎo)體，對(duì)于我們而言，這是一個(gè)難題也是一種機(jī)遇，我們發(fā)現(xiàn)了一些比我們?cè)认胂蟮母闯５臇|西，從基礎(chǔ)物理學(xué)的角度來(lái)看，它意義深遠(yuǎn)。如果我們能夠了解這種令人困惑的超導(dǎo)電性機(jī)制，我們就可以學(xué)習(xí)如何在較高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性成分的收集�！� 他說(shuō)：“我們的下一步工作是使用隧穿譜學(xué)來(lái)測(cè)試一些關(guān)于鈦酸鍶個(gè)高溫超導(dǎo)電性的預(yù)測(cè)理論。” |