从须臾态到稳态还可能有多少路程,常温超导

2019-11-23 20:11栏目:奥门新萄京娱乐场
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图片 1超导现象尽管已经进入实用,但仍需在极低的温度下才能实现。现在,科学家对意外发现的室温超导现象进行了研究,提出了一种可能的解释。这一结果或许有助于开发出更高温度的超导材料。图片来源:ithaca.edu

室温超导:从瞬态到稳态还有多远

超导现象是如此非同凡响:在超导体中,电流的输送可以无视电阻,运送过程也不会有一丁点损耗。这项技术已经在一些领域中得到应用,比如核自旋断层扫描仪或是粒子加速器中的磁性材料。然而,要使用这种材料,它们必须被冷却到极低的温度。不过在过去的一年里,一项实验已经证明,利用红外激光脉冲,研究者首次成功地在室温下做出了超导陶瓷——尽管只持续了1微秒的百万分之几。

■本报记者 陆琦

如今,来自德国汉堡马普学会物质结构及动力学研究所的物理学家参与的一个国际科学团队,已经为这种室温超导现象提出了一种可能的解释:这些科学家认为,激光脉冲导致晶格中的个别原子短暂发生位移,因此导致了超导现象。这一发现或许有助于开发能在更高温度下产生超导现象的材料,从而打来全新的应用前景。

还记得电影《阿凡达》中一座座悬浮在云端的哈利路亚山吗?那一座座大山之所以能够悬空,是因为山中蕴藏着一种神奇的室温超导矿石,它借助母树附近的强大磁场“托起”了哈利路亚山。

起初,超导现象只在少数几种金属处于近乎绝对零度(零下273℃)时才会出现。此后,在20世纪80年代,物理学家发现了一类基于陶瓷材料的新材料类别。这些材料可以在零下200℃时发生超导现象,因此被称作高温超导材料。复合氧化钇钡铜(YBCO)便是其中一种高温超导材料。这是最具有技术应用前景的材料,可用作超导电缆、电动机和发动机等。

其实,自1911年发现无阻抗电力传导理论以来,“室温超导”之谜就一直困扰着科学家。

YBCO晶体具有特殊结构:两层薄的氧化铜层,间隔着稍厚的含钡(也含铜和氧的)夹层。超导性质源于薄薄的双层二氧化铜,电子可以在这里构成所谓的“库珀对”(Cooper pair)。这些库珀对能够在不同夹层间“隧穿”——说得再形象点,这意味着它们可以像幽灵穿过墙壁一样穿过这些夹层,这是一种典型的量子效应。

不过,近日传来了一个好消息:借助短波红外激光脉冲的帮助,德国马普研究所的研究人员成功制成室温下的陶瓷超导体——尽管其维持的时间仅有百万分之几微秒。

不过,这种晶体只会在“临界温度”以下出现超导。只有在这种情况下,库珀对才能够不只是隧穿两个薄层,同时还会“幻影移形”,穿过较厚的夹层到达隔壁的两个薄层。而在临界温度以上,双层之间则会失去耦合,这块物质就只是普普通通的导电金属了。

仍有待证实的瞬态

图片 2德国马普学会官网对此项进展的报道。图片来源:mpg.de

德国科学家的这项工作,引起了国际物理学界的广泛关注。

2013年,德国马普研究所的安德里亚·卡瓦莱里(Andrea Cavalleri)与一个国际团队合作发现,当YBCO被红外激光脉冲照亮时,在很短的一瞬间,它会暂时在室温下变成超导体。激光明显改变了这种晶体中双层之间的耦合。不过,确切的机制当时并不清楚。

有外国学者称,这项成果将帮助材料科学家研发具有更高临界温度的超导材料,并最终实现可在室温下应用、完全无需冷却的超导材料的梦想。

于是,物理学家决定用美国的LCLS,世界上最强大的X射线激光器,从实验上揭开这个谜题。“我们再次向这种晶体发射了红外脉冲,这会激发某些原子开始振荡,”最近这项新研究的第一作者、马普学会的物理学家罗曼·曼科夫斯基(Roman Mankowsky)解释说,“短时间之后,我们再用X射线短脉冲照射晶体,精确测量被激发晶体中的晶体结构。”

因为直到现在,超导体都必须用液氮或液氦冷却到远低于零度的温度。如果复杂的冷却设施不再需要,那超导技术就有了投入日常应用的可能。

结果,他们发现:红外脉冲不只是激发这些原子振荡,还使它们的位置在晶体中发生偏移。这会使双层二氧化铜短时间内变得更厚一些,增厚了大约2皮米(差不多是一个原子直径的百分之一),而它们之间的夹层则相应变窄了那么多。进而,这样的变化增加了双层之间的耦合程度,使得这种晶体在几皮秒内变成了室温超导体。

只是,那百万分之几微秒的超导现象是怎么观察到的呢?不少物理学家对此提出了质疑。

一方面,新的研究结果有助于补完仍旧不完整的高温超导理论。“另一方面,它可以帮助材料科学家开发具有更高临界温度的新超导材料,”曼科夫斯基说。“也许不需要冷却、能够在室温下工作的超导材料将不再是梦想。”直到现在,超导磁体、引擎和线缆都必须用液氮或液氦冷却到远低于零度的温度。如果复杂的冷却设施不再需要,那超导技术就获得了突破。

中科院物理研究所研究员丁洪在接受《中国科学报》采访时直言“觉得证据不足”。“根据他们在《自然》杂志和以前发表的文章,只是说观察到的现象可以用瞬态室温超导去解释,但也可能有其他解释,这就需要更多的证据支持。”

这一结果12月4日发表在《自然》杂志上。(编辑:Steed)

该论文第一作者、德国马普研究所物理学家罗曼·曼科夫斯基表示,他们使用红外激光脉冲照射钇钡铜氧化物材料时,它会在室温条件下短暂地显示出超导性。“激光脉冲改变了材料晶体结构中双层氧化铜分子的耦合性。红外脉冲不仅激发了原子振荡,而且改变了它们在晶体中的位置。这样的变化增加了双层之间的耦合程度,使得这种晶体在几皮秒内变成了室温超导体。”

但对于“瞬态”发生的现象,可测量的手段非常少。“没法直接测电阻和磁化率,只能通过光谱学检验,但光谱学特性能否确切认定是超导,这个还有争议。”丁洪说。

英国伯明翰大学的凝聚态物理学家泰德也认为,这一结果是试探性的,有待进一步审查。

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