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科學(xué)家揭示了氧化銅化合物中高溫超導(dǎo)的起源

2022-07-03 18:41:21 編輯:翟龍致 來(lái)源:
導(dǎo)讀 自1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物(稱為銅酸鹽)的高溫超導(dǎo)性以來(lái),科學(xué)家們一直試圖了解這些材料如何在比常規(guī)超導(dǎo)體所需的超冷溫度高幾百度的溫度下無(wú)

自1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物(稱為銅酸鹽)的高溫超導(dǎo)性以來(lái),科學(xué)家們一直試圖了解這些材料如何在比常規(guī)超導(dǎo)體所需的超冷溫度高幾百度的溫度下無(wú)電阻地導(dǎo)電。尋找這種奇異行為背后的機(jī)制可能為在室溫下變?yōu)槌瑢?dǎo)的工程材料鋪平道路。這種能力可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損電網(wǎng),更便宜的磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)和強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī),并改變?nèi)蚰茉瓷a(chǎn),傳輸和使用的方式。

現(xiàn)在,能源部(DOE)布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家解釋了為什么銅酸鹽變?yōu)槌瑢?dǎo)的溫度如此之高。在生長(zhǎng)和分析數(shù)千個(gè)被稱為L(zhǎng)SCO的銅酸鹽樣品(包含鑭,鍶,銅和氧)后,他們確定這個(gè)“臨界”溫度是由電子對(duì)的密度控制的-每單位面積的電子對(duì)。這一發(fā)現(xiàn)在8月17日出版的“ 自然”雜志上發(fā)表,對(duì)超導(dǎo)性的標(biāo)準(zhǔn)理論提出了挑戰(zhàn),該理論認(rèn)為臨界溫度取決于電子配對(duì)相互作用的強(qiáng)度。

“解決高溫超導(dǎo)的謎團(tuán)已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理學(xué)30多年來(lái)的焦點(diǎn),”布魯克海文實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)系的高級(jí)物理學(xué)家Ivan Bozovic說(shuō)。“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為解釋銅酸鹽中高溫超導(dǎo)的起源提供了基礎(chǔ) - 這需要一個(gè)全新的理論框架。”

我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為解釋銅酸鹽中高溫超導(dǎo)的起源提供了基礎(chǔ) - 這是一個(gè)需要全新理論框架的基礎(chǔ)。

根據(jù)Bozovic的說(shuō)法,銅酸鹽如此難以研究的原因之一是因?yàn)樾枰_的工程來(lái)生成僅含有高溫超導(dǎo)相的完美晶體樣品。

“這是一個(gè)材料科學(xué)問(wèn)題。銅酸鹽每單位晶胞可以有多達(dá)50個(gè)原子,這些元素可以形成數(shù)百種不同的化合物,可能會(huì)產(chǎn)生不同相的混合物,“Bozovic說(shuō)。

這就是為什么Bozovic和他的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用定制設(shè)計(jì)的分子束外延系統(tǒng)來(lái)增加超過(guò)2500個(gè)LSCO樣品,該系統(tǒng)將單個(gè)原子逐層放置在基板上。該系統(tǒng)配備了先進(jìn)的表面科學(xué)工具,例如吸收光譜和電子衍射的工具,可提供有關(guān)所得薄膜的表面形態(tài),厚度,化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)信息。

“監(jiān)測(cè)這些特性可確保我們的樣品中沒(méi)有任何不規(guī)則的幾何形狀,缺陷或沉淀,”Bozovic解釋道。

在設(shè)計(jì)LSCO薄膜時(shí),Bozovic化學(xué)地添加了鍶原子,這些原子產(chǎn)生的移動(dòng)電子在發(fā)生超導(dǎo)的氧化銅層中配對(duì)。這種“摻雜”工藝允許LSCO和其他銅酸鹽 - 通常是絕緣材料 - 變成超導(dǎo)體。

在這項(xiàng)研究中,Bozovic添加了超過(guò)誘導(dǎo)超導(dǎo)所需的興奮劑水平的鍶。早期對(duì)這種“過(guò)度摻雜”的研究表明,隨著摻雜濃度的增加,電子對(duì)的密度會(huì)降低。科學(xué)家試圖通過(guò)將其歸因于與超導(dǎo)電極競(jìng)爭(zhēng)的不同電子指令或由晶格中的雜質(zhì)或無(wú)序引起的電子對(duì)斷裂來(lái)解釋這一令人驚訝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如,他們?cè)J(rèn)為幾何缺陷,例如被取代或缺失的原子,可能起作用。

為了測(cè)試這些解釋,Bozovic和他的團(tuán)隊(duì)測(cè)量了他們的工程LSCO薄膜的磁性和電子特性。他們使用一種稱為互感的技術(shù)來(lái)確定磁穿透深度(磁場(chǎng)穿過(guò)超導(dǎo)體的距離),這表明電子對(duì)的密度。

他們的測(cè)量結(jié)果確定了臨界溫度和電子對(duì)密度之間的精確線性關(guān)系:隨著添加更多摻雜劑,兩者都繼續(xù)減少,直到?jīng)]有電子完全配對(duì),而臨界溫度下降到接近零的開(kāi)爾文(零下459華氏度) 。根據(jù)對(duì)金屬和傳統(tǒng)超導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)理解,這一結(jié)果是出乎意料的,因?yàn)長(zhǎng)SCO變得越來(lái)越金屬化,它越被過(guò)度摻雜。

“擾亂,相分離或電子對(duì)斷裂將通過(guò)引入阻礙電子流動(dòng)的散射產(chǎn)生相反的效果,從而使材料更具電阻性,即金屬更少,”Bozovic說(shuō)。

如果Bozovic的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為臨界溫度受電子對(duì)密度控制是正確的,那么似乎小的局部電子對(duì)位于銅酸鹽變?yōu)槌瑢?dǎo)的高溫背后。先前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確定,在銅酸鹽中電子對(duì)的尺寸比在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中小得多,傳統(tǒng)的超導(dǎo)體的對(duì)很大以至于它們重疊。了解在銅酸鹽中電子對(duì)如此小的相互作用是尋求解決高溫超導(dǎo)性之謎的下一步。


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