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科学家解密:铜氧化物高温超导体量子机制如何运作?

来源:国际铜业协会 日期:2019-02-12


  铜氧化物是一种在常压环境下超导临界温度高达140K的超导材料,但其中机制如何运作?这促使全球超导科学家投入研究。维也纳工业大学物理学教授 Neven Bari?i?团队现在提出一系列非凡的新见解,也许能深刻改变我们对高温超导材料的认知。
  每个电子设备都存在电阻,但偏偏科学家发现了一种恰好可以零电阻传导电流的材料,称为超导体(superconductor),其两个最重要的特性,是在特定温度下呈现“零电阻”与“完全抗磁性”,而超导体电阻转变为零时的温度称为“超导临界温度”,可依此再将材料分为低温超导体和高温超导体。
  科学家下一步伟大科学突破,就是找出令人震惊无比的高温超导材料,它们将带来广泛全新应用,包括磁浮列车、医学成像技术等。
  高温超导体(High-temperature superconductors)也被称作铜氧化物(cuprate)超导体,最早由瑞士物理学家卡尔·米勒、德国物理学家约翰内斯·贝德诺尔茨于实验中发现;1987 年,台湾物理学家吴茂昆、朱经武发现钇钡铜氧(YBCO)超导体(YBa2Cu3O7-δ Tc~92K),将超导临界温度提高到 90K 以上,不只突破过去液氮的 77K 温度壁垒,也突破了自 1911 年后 70 多年的物理学研究瓶颈,一举划出低温超导体与高温超导体分水岭。
  但科学家真正的研究挑战,是了解高温超导体内部量子效应。
  现在维也纳工业大学物理学教授Neven Bari?i?团队证明,铜氧化物中存有 2 种根本性质完全不同的载子(charge carrier),超导特性就取决于两者之间微妙的相互作用:一种载子坐镇在原子特定位置,只有当材料被加热时才能移开;而另一种载子可以自由移动,从这个原子跳到另一个原子上,后者最终带出超导特性。
  Neven Bari?i?解释,固定载子与移动载子控制着材料系统,前者俨然充当“胶水”,将移动载子结合成库柏对(Cooper pair),一旦配对,载子就会变成超导状态,让材料可以零电阻传输电流。
  移动载子与固定载子必须有微妙的平衡,任何一方太少都无法顺利配对,也就无法带出超导特性。该团队提出了铜氧化物逐步出现的现象,为寻找新超导体提供了新方向。新论文发表在《科学前缘》(Science Advances)期刊。
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