科学家新发现或将有助于开发出在室温下工作的超导体

2022年09月21日 11:45 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

超导体为高速悬浮列车、核磁共振机器、高效电力线、量子计算和其他技术的应用提供了巨大的技术和经济前景。然而它们的用途是有限的,造成这种局限性则源于超导需要极低温度这一条件。由于这种苛刻和昂贵的要求,将它们跟现代技术相结合是非常具有挑战性的。

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超导体的电阻有一个特定的临界温度,超过这个温度它就会突然下降到零,而不像普通的金属导体,其电阻会随温度的降低而逐渐下降,甚至下降到接近绝对零度。

寻找不需要如此低温的超导体是目前超导研究的主要目标。这些超导体的运作机制是这个领域最大的谜团,至今没有人能够回答。了解在高温下产生超导性的过程将使其得到更多的实际应用。

来自以色列巴伊兰大学的科学家们最近进行的一项研究在解决这一持续的谜团方面取得了进展。他们通过使用扫描式SQUID(超导量子干涉装置)磁力显微镜拍摄到了一种其他技术以前无法看到的现象。

当高温超导体最初被发现时,科学家们大吃一惊。科学家们曾认为,良好的超导性将在金属中发现。然而与预测相反的是,人们发现绝缘陶瓷材料是最好的超导体。

找到这些陶瓷材料的共同属性可能有助于确定其超导性的来源并改善对临界温度的控制。据了解,这种材料的其中一个特性是,当中的电子会强烈地相互抵制。因此,它们无法自由移动。相反,它们会被困于一个周期性的晶格结构内。

电子有两个决定性的属性:电荷(移动的电荷会产生电流)和自旋。其中,自旋是电子的量子属性,负责它们的磁特性。这就好比每个电子上都有一个小小的条形磁铁。在普通材料中,电荷和自旋是电子的“内置”并无法分离。

然而在被称为“量子自旋液体”的特殊量子材料中,电子之间的相互作用促成了一种独特的现象,即每个电子被分解成两个粒子,一个带电荷(但无自旋),一个带自旋(无电荷)。这种量子自旋液体可能存在于高温超导体中,事实上,它们的存在可以解释这些材料的超导性如此之好的原因。

而这当中的挑战在于,这些自旋液体对于传统的测量来说是看不见的。即使我们怀疑一种材料可能是自旋液体,也没有任何实验可以验证它或探测其性质。这类似于暗物质,它不会跟光相互作用,因此非常难以探测。

目前的研究是由巴伊兰大学物理系的Beena Kalisky教授和博士生Eylon Persky及其合作者进行的,这是朝着开发一种研究自旋液体的方法迈出的重要一步。研究人员通过使自旋液体跟超导体相互作用来研究它的特性。他们使用了一种由超导体和候选自旋液体的原子层交替组成的工程材料。

“跟不产生任何信号的自旋液体不同,超导体有着清晰的磁信号,很容易测量。因此,我们能够通过测量它在超导体中产生的微小变化来研究自旋液体的特性,”Persky说道。研究人员通过使用扫描SQUID--一种能同时检测磁性和超导性的极其敏感的磁传感器--来研究异质结构的特性。

“我们已经观察到在超导体中产生的涡流。这些旋涡是循环的电流,每一个都持有一个量子的磁通。虽然创造这种旋涡的唯一方法是通过施加磁场,但在我们的案例中,旋涡是自发产生的,”Kalisky解说道。这一观察表明,材料本身产生了一个磁场。而最大的惊喜是发生在这个磁场没有在直接测量中显示出来的时候。Kalisky补充道:“令人惊讶的是,我们发现由该材料产生的磁场对于直接的磁性测量是不可见的。”

研究结果指出了一个“隐藏的”磁相,它在实验中通过跟超导层的相互作用而暴露出来。通过跟来自巴伊兰大学、以色列理工学院、魏茨曼研究所、加州大学伯克利分校和佐治亚理工学院的研究小组合作,研究人员得出结论,这种磁相可能是自旋液层和超导层之间关系的直接结果。隐藏的磁性是自旋液中自旋电荷分离的结果。超导体对这种磁性产生反应进而产生涡流,这个过程不需要一个“真正的”磁场。

事实上,这是第一次直接观察到这两种物质阶段之间的联系。这些结果提供了了解难以捉摸的自旋液体的特性的途径,如电子之间的相互作用。这些结果也为工程化的其他层状材料打开了大门,通过这些材料可以研究超导性和其他电子相之间的关系。对自旋液体和超导性之间关系的进一步研究可能会使研究人员设计出在室温下工作的超导体,而这反过来会改变我们的日常生活。

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