科学家们发现室温超导的新可能性

    发布时间:2022/5/5 15:03:52来源:hao1***

  • 根据一项新研究,科学家们发现,用闪光触发超导涉及到与设备所需的更稳定状态相同的基本物理学,从而为产生室温超导开辟了一条新的道路。

    科学家们发现室温超导的新可能性

    研究人员可以通过使系统进入稍微不稳定的状态--科学家称之为“失衡”--然后观察它重新稳定到一个更稳定的状态时会发生什么,就像人们可以通过走出他们的舒适区来了解自己。

    对超导材料钇钡铜氧化物(或称YBCO)的实验表明,在某些条件下,用激光脉冲使其失衡,可以使其超导--无损耗地传导电流--比研究人员预期的要更接近室温。鉴于科学家们已经在室温超导体上工作了三十多年,这可能是一个重大突破。

    但是,对这种不稳定状态的观察是否与高温超导体在现实世界中的功能有任何关联?周三发表在《科学进展》上的一项研究表明,答案是肯定的。

    美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家、开展这项研究的国际研究小组的负责人Jun-Sik Lee 说:“人们认为,即使这种类型的研究是有用的,但它对未来的应用并不很有希望。”

    “但现在我们已经表明,这些不稳定状态的基本物理学与稳定状态的物理学非常相似。因此,这开辟了巨大的机会,包括其他材料也可以通过光的作用进入瞬态超导状态的可能性。这是一种有趣的状态,我们无法以其他方式看到。”

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    正常是什么样子的?

    钇钡铜氧化物是1986年发现的一个材料家族的成员,它在远高于科学家以前认为可行的温度下能以零电阻导电。

    与70多年前发现的传统超导体一样,YBCO在冷却到某个过渡温度以下时从正常状态切换到超导状态。在这一点上,电子配对并形成一种凝结物--一种“电子汤”--可以毫不费力地导电。科学家们对这种情况在旧式超导体中是如何发生的已经有了坚实的理论,但是对于它在像YBCO这样的非常规超导体中是如何工作的仍然没有共识。

    解决这个问题的一个方法是研究YBCO的正常状态,它本身就很奇怪。正常状态包含一些复杂的、相互交织的物质相,每个相都有可能帮助或阻碍向超导性的过渡,这些相“争夺主导权”,有时还会重叠在一起。更重要的是,在其中一些相位中,电子似乎“认识到了对方”,并集体行动。

    这是一个真正的纠结,研究人员希望更好地理解它将阐明这些材料如何以及为什么在比传统超导体预测的理论极限高得多的温度下变得超导。

    在发生这些迷人的正常状态的温暖温度下很难对其进行探索,因此科学家们通常将他们的YBCO样品冷却到它们成为超导的程度,然后关闭超导性以恢复正常状态。

    切换通常是通过将材料暴露在一个磁场中来完成的。这是最受欢迎的方法,因为它使材料处于稳定的配置中--你需要创建一个实用的设备。

    Jun-Sik Lee 说,超导性也可以通过一个光脉冲来关闭。这创造了一个有点失衡的正常状态。失衡--从科学的角度来看,有趣的事情可以发生。但是它不稳定的事实使科学家们对假设他们在那里学到的任何东西也可以应用于稳定的材料,如实际应用所需的材料,持谨慎态度。

    在这项研究中,Jun-Sik Lee 和他的合作者比较了两种“开关”方法--磁场和光脉冲--重点是它们如何影响超导材料中出现的一种被称为电荷密度波或CDWs的特殊物质相。CDWs是较高和较低电子密度的波状模式,但与海浪不同,它们不会四处移动。

    2012年科学家发现了二维CDWs,2015年Jun-Sik Lee 和他的合作者又发现了一种新的三维CDW类型。这两种类型都与高温超导性密切相关,它们可以作为超导性开启或关闭的过渡点的标志。

    为了比较YBCO的超导性在光与磁的作用下被关闭时CDW是什么样子,研究小组在三个X射线光源下做了实验。

    首先,他们在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)测量了未受干扰材料的属性,包括其电荷密度波。然后,该材料的样本在日本的SACLA同步辐射设施中暴露于高磁场中,并在韩国浦项加速器实验室的X射线自由电子激光器(PAL-XFEL)中暴露于激光中,以便可以测量其CDW的变化。

    “这些实验表明,将样品暴露在磁力或光线下会产生类似的CDWs的三维模式,”SLAC工作人员和研究报告的共同作者Sanghoon Song说。他说,尽管这种情况如何以及为什么会发生仍不为人所知,但这些结果表明,这两种方法所诱导的状态具有相同的基本物理学。他们表明,激光可能是创造和探索瞬态的好方法,这些瞬态可以稳定地用于实际应用--包括潜在的室温超导性。

    来自韩国浦项加速器实验室和浦项科技大学;日本东北大学、理化学研究所SPring-8中心和日本同步辐射研究所;以及德国马克斯-普朗克固体研究所的研究人员也对这项工作做出了贡献,这项工作由美国能源部科学办公室资助。SSRL是美国能源部科学办公室的一个用户设施。

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