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科学家首次成功地制成室温下陶瓷超导体

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-12-11  浏览次数:82

 
   北京时间12月11日消息,据物理学家组织网站报道,超导性是一种神奇的性质:超导体可以传输电流而不会产生任何电阻,于是也就不会有电力损耗。在某些尖端领域,这种技术已经开始得到应用,比如在核自旋断层设 备或粒子加速器中充当磁体。然而,要想获得超导性,超导材料必须被冷却到非常低的温度才可以。但就在去年,一项实验在这方面取得了突破。
 
  借助短波红外激光脉冲的帮助,研究人员首次成功地制成室温下的陶瓷超导体——尽管其维持的时间仅有数百万分之几微秒。一个由德国马克斯普朗克物质结构与动力 学研究所参与的国际小组近期在《自然》杂志上报道了他们的此项工作。研究组相信这一现象背后的原理是:激光脉冲导致晶体晶格中的单个原子发生短暂变动,从 而导致超导性的产生。这项成果将有望帮助现有低温超导材料实现在高得多的温度条件下实现超导性,因此拥有广泛应用前景。
 
  起初,科学家们发现少数几类金属在温度仅稍高于绝对零度的超低温环境下显示超导性。之后到了20世纪80年代,物理学家们发现了一种新的陶瓷材料,其可以在零下200摄氏度左右的环境下实现超导性,也因此被称作“高温超导体”。这些陶瓷材料其中有一种是钇钡铜氧化物(YBCO)。这是一种最有前景的超导材料,未来或可应用于超导电缆,马达以及发电机等设备。
 
  钇钡铜氧化物的晶体具有一种非常特殊的结构:双层氧化铜分子层与一层稍厚一些的钡、铜、氧原子中间层交互叠加构成晶体。这种材料的超导性便来自其中的双层氧化铜分子层。电子可以在这里结合形成所谓“库珀对”(Cooper pairs)。 这种电子对可以在不同层之间穿越,这就意味着这些电子对能像鬼魂一样穿越层面不受阻挡——这是一种典型的量子现象。然而这种晶体结构也只有在低于“临界温 度”的情况下才会显示超导性,因为只有在这样的条件下电子才会形成库珀对,并且不仅仅在双层氧化铜分子层内穿越,而且还能穿越更厚的中间层。而当温度高于 临界温度时,这种电子的库珀对便消失了,这种材料也就变回一种导电性很差的金属合成材料。
 
  有助研发新型超导材料
 
  2013年, 一个马普研究所参与的国际研究组发现,当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。很显然激光脉冲改变了这种材料晶 体结构中双层氧化铜分子的耦合性。然而其中更确切的原因仍然不甚明了——直到研究组有机会前往美国,利用斯坦福大学的直线加速器相干光源(LCLS)——世界上最强大的X射线激光进行分析之后才最终揭开谜底。德国马普研究所物理学家罗曼·曼可威斯基(Roman Mankowsky)是这篇《自然》杂志论文的第一作者。他说:“首先,我们再次向材料照射红外脉冲激光,我们看到其中一些原子开始发生振动。很短时间之后,我们紧接着使用短X射线脉冲来测量被激发的晶体精确的晶格结构。”
 
  这样做得到的结果是发现,红外脉冲不仅仅激发并导致原子振动,实际上还让原子发生了迁移,离开了原先的位置。这就在短时间内造成氧化铜双分子层厚度增加了2个皮米(1皮米=1万亿分之一米),或一个原子直径的百分之一左右,而它们之间中间层的厚度则相应发生减薄。这一变化增强了两个双层之间的耦合效应,从而导致晶体结构在室温下短暂地显示出超导性。
 
  而在另一方面,这项最新研究成果也帮助改进了目前还尚不完善的高温超导体理论。曼 可威斯基表示:“这项成果将帮助材料科学家们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。”到目前为止, 超导磁体,马达或电机在应用时都必须使用液氮或液氦进行冷却。如果这种复杂的冷却过程不再需要,这将意味着这一领域的一项关键性技术突破。

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