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物理学中最大谜团之一首次证明:高温超导体是

作者:十博 发布时间:2020-11-02 23:30 点击数:

  高温超导是物理学中最大的谜团之一,LION的物理学家米兰·艾伦的研究小组首次使用约瑟夫森扫描隧道显微镜对超导粒子的空间变化进行了成像,高温超导体的一个神秘之处在于它可能是不均匀的,这意味着库珀对的密度会导致超导性随空间的变化,通过首次成像证明,确实存在非常不均匀的超导体。这一发现由杜希·秋、科恩·巴斯蒂斯安、达米亚诺斯·查佐普洛斯和艾伦在《自然》上发表,将有助于解释这种神秘的高温超导现象。

  1911年发现了传统的超导性,即一种材料在没有任何可测量电阻的情况下传导电流,莱顿大学的物理学家海克·卡梅林·昂尼斯注意到,在绝对零度以上4.2度时,汞的电阻消失了。这很奇怪,也出乎意料,因为正常情况下,流过金属的电子会撞到原子或晶体结构中的不规则物,而产生所谓的电阻。直到1957年,物理学家巴丁、库珀和施里弗才解释了这一现象,他们展示了电子在晶体中流动时,如何通过晶格中的振动在一定距离内感知彼此,从而使它们耦合并形成所谓的库珀对。

  除了电子,库珀对可以合并形成一个大的集体,通过晶体移动。这个集体比单个原子或缺陷要大得多,不会感觉到它们。这有点像一个巨大的波浪,不受阻碍地流过一片帆船的水域,在那里,小波浪会被单独的船只阻挡。出乎意料的是,1986年瑞士物理学家贝德诺兹和穆勒发现了一种超导材料,其温度异常“温暖”,高达绝对零度以上90度,温度足以说明高温超导性。如果临界温度可以提高到室温。

  这一技术有望在技术上得到大量应用,从实际无损的电力线到悬浮列车。但是这个没有实现,一些应用程序正在缓慢地推向市场,但临界温度却停滞不前,也许是因为直到今天,理论物理学家还没有完全理解非传统超导性,尽管他们进行了几十年的实验和理论研究。已知的是,与传统超导体相比,这些超导体中的库珀对要小得多,也更稀疏。

  多年来,人们一直在谈论这种不均匀性,为了最终将其可视化,艾伦团队使用了一种特殊的扫描隧道显微镜(STM),通过在表面移动一个微小的针尖来成像样本。当针扫描表面时,测量局部性质,得到原子分辨率的图像。这种特殊类型的扫描隧道显微镜被称为约瑟夫森扫描隧道显微镜,其尖端覆盖着超导铅。

  约瑟夫森扫描隧道显微镜使用约瑟夫森效应:两个超导电流可以通过一个小的非导电间隙,在这种情况下,尖端和样品之间的间隙。通过仔细测量约瑟夫森电流,可以测量库柏对的密度。使用其他显微镜,可以同时绘制库珀对的相干性,这是对其稳定性的一种衡量。

  每张扫描约3天的图像显示,相干性和密度非常不均匀。为了排除这种现象是由晶体本身不均匀性造成的可能性,物理学家们也对原子进行了成像,但结果却完全不同。这表明不均匀性不仅仅是晶格的结果,而是库珀对自身的特性。约瑟夫森扫描隧道显微镜已经被建立和使用之前,但不是在分辨率和可靠性产生这些图像,这是许多技术进步的总和,才能让我们能够做到这一点。

  还要选择正确的样本。精心选择的硒化碲化铁(FeTeSe)是一种高温超导体,但相对简单这些发现可以进一步帮助物理学家Jan Zaanen和Koenraad Schalm这样的理论家解开这个谜团。艾伦希望用显微镜很快地研究其他材料,这就像一个新的镜头,一种新的显微镜。最后,可以研究超导性的一个关键性质,这在以前是看不到的。

  博科园|研究/来自:莱顿大学参考期刊《自然》DOI: 10.1038/s4-8博科园|科学、科技、科研、科普


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