物理学家发现能使磁性和超导共存于同一材料的新机制

2021年06月09日 11:36 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,来自巴斯大学的物理学家通过跟美国的研究人员合作发现了一种使磁性和超导性在同一种材料中共存的新机制。截止到目前,科学家们只能猜测这种不寻常的共存是如何成为可能的。这一发现可能会为绿色能源技术和超导设备如下一代计算机硬件的开发中带来应用。

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巴斯大学的研究人员发现,铁基超导体RbEuFe4As4在-236°C以下具有超导性,但在-258°C以下则同时具有超导性和磁性。

物理学研究生David Collomb是Simon Bending教授领导的研究小组的主要成员,他介绍称:“在某些材料中,如果你让它们非常冷--比南极冷得多--它们就会变成超导。”但要想把这种超导电性带到下一个层次的应用中,这种材料需要表现出跟磁性能共存。这将使我们能开发在磁性原理上运行的设备且与此同时又能享受到超导的好处。

“问题是,当磁性打开时,超导性通常会消失。几十年来,科学家们一直在尝试探索一种具有这两种特性的材料,最近,材料科学家已经成功制造了一些这样的材料。然而只要我们不明白为什么共存是可能的,寻找这些材料就不能像梳子一样精细。这项新研究为我们提供了一种材料,这种材料在这两种现象共存时的温度范围非常宽,这将使我们能够更密切、更详细地研究磁性和超导之间的相互作用。希望这将使我们能够确定这种共存发生的机制,”Collomb继续说道。

研究团队在一项发表在《Physical Review Letters》上的研究中通过创建超导材料在温度下降时的磁场图来研究RbEuFe4As4的不寻常行为。让他们惊讶的是,他们发现在接近-258°C的温度时,涡旋明显展宽,这表明随着磁性的打开,超导性受到了强烈的抑制。

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这些观察结果跟美国阿贡国家实验室的Alexei Koshelev博士最近提出的理论模型一致。该理论描述了晶体中铕(Eu)原子的磁波动对超导性的抑制。在这里,当材料下降到一定温度以下时,每个Eu原子的磁性方向开始波动并跟其他原子对齐,这使得该材料具备了磁性。巴斯大学的研究人员得出的结论是,虽然超导性被磁效应大大削弱,但它并没有完全被破坏。

“这表明,在我们的材料中,磁性和超导性在它们自己的子晶格中彼此分开,相互作用很小,”Collomb说道,“这项工作极大地推进了我们对这些罕见共存现象的理解,并可能导致未来超导设备的应用。它将引发对既具有超导性又具有磁性的材料的更深入的探索。我们希望它也能鼓励更多应用领域的研究人员利用这些材料制造下一代计算设备。希望科学界将逐渐进入一个时代,我们将从蓝天研究转向用这些材料制造设备。在10年左右的时间里,我们可能会看到使用这种技术的原型设备真正发挥作用。”

Bending教授补充称:“我们的主要结果是,磁性的产生强烈地抑制了超导性,这是相当令人惊讶的,并且从表面上看,似乎跟之前在非常相似的样品上的测量结果相矛盾。然而,RbEuFe4As4是一种极其复杂的材料,其中负责超导的电子和空穴存在于几个单独的带中。每一种物质对超导状态的贡献都不同,跟磁性铕原子的相互作用也不同。因此,任何观测都可以对正在进行的测量的精确细节非常敏感。”

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