反铁磁绝缘体于意外温度出现超导特性，开辟室温超导体...

darthracer · 2024-9-1 12:11

电子配对成“库柏对”是超导体出现的必要条件之一，现在，物理学家不只观察到库柏对出现的温度比预期更高，还来自人们意想不到的一种反铁磁绝缘体材料。虽然该材料不具备零电阻特性，但这项发现表明我们或能找到方法，将类似材料设计成室温超导体。

自超导体被发现以来，其神秘特性一直让研究人员感到敬畏，这种特殊材料内部电阻为零，因此电流流动不会损失任何能量，在能源、交通、医疗、计算机、计算等领域应用潜力巨大，对未来科技发展具重要意义。

然而材料表现出超导特性所需温度通常极低（不同材料的临界温度各异），一旦加热，超导材料就会变回普通导体（电流还是能流动，但会损失能量），或变成完全不导电的绝缘体；此外，原本应该相互排斥的2个电子结合成“库珀对”形式且运动同步（相干），也是超导现象关键，若电子成对但不相干，该材料最终可能变成绝缘体。

研究人员一直寻找能在更高温度（甚至室温）下发挥“魔力”的超导材料，这将改变从计算机、手机到电网、交通等各种现代技术；此外，超导体独特量子态也能成为量子计算机的优良构建基础。

在超导体中，电子像舞池里2个沉默寡言的人，起初双方都不想与对方跳舞，但当DJ播了一首曲子，他们注意到彼此都喜欢这首歌，从远处慢慢互相吸引，此时2个电子已看对眼，但脚步尚未变一致，待DJ播放另一首2个电子都非常喜欢的歌，它们突然配对成功并跳起双人舞，很快地，舞池所有人都跟上它们脚步、聚集在一起同首舞，此时材料便处于超导状态。

而SLAC国家加速器实验室团队的新研究，便观察到上述处于相互看对眼、但还未起身跳双人舞的配对电子，且出现在令人意想不到的反铁磁绝缘体材料中。

在舞池中，原本互相排斥的电子配对成“库柏对”示意图。

电子配对起舞原因来自底层材料本身振动，这种配对通常发生在传统超导体材料，于零下248℃ 表现出超导性，但一些非常规超导材料如：铜酸盐，拥有目前已知最高温的临界温度（可达零下143℃），科学家普遍认为除了晶格振动，还有其他机制帮助铜酸盐内的电子配对，尽管不确定背后原因，但主要说法为波动的电子自旋导致电子配对并以更高角动量跳舞。

解开铜酸盐电子配对的驱动因素，能帮助设计在更高温度工作的超导体，不过SLAC国家加速器实验室团队选择了更像传统超导体的铜酸盐家族：钕铈铜氧化物（*neodymium cerium copper oxide）作为调查目标。

与其他铜酸盐相比，钕铈铜氧化物最高超导温度相对较低（零下248℃ ），且多数家族成员都是绝缘体，为了观察铜酸盐原子细节，研究人员以紫外线照射样本、使电子从材料中发射，但当电子处于配对状态时能稍微抵抗光子，使材料仅损失一点能量，称为配对能隙。

团队观察到，虽然零电阻状态仅在非常低温度出现，但这种材料在高达零下133℃ 温度仍存在能隙，表明电子于相对高的温度形成库柏对，虽然铜酸盐可能不是室温超导材料的最佳选择，但新发现为室温超导开辟一条潜在新路径，若我们能找到一种新方法同步电子，或许能常尝试开发出更高工作温度的超导体。

新论文发表在《科学》（Science）期刊。

反铁磁绝缘体于意外温度出现超导特性，开辟室温超导体...

浏览过的版块