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只在理论上存在的超导体,首次被制造出来

时间: 2020年12月02日 | 作者: Admin | 来源: 东京大学
近期,研究人员首次发现两种产生超导现象的方法之间的联系。


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图片来源:维基百科


文章来源 | 东京大学

翻译 | 王嘉钰

审校 | 郝豪


超导是指在某些条件下,电路中的电阻消失,导电效率变得极高的现象。多种不同的方法都能使得这种现象发生,而这些方法常被认为是不相通的。近期,研究人员首次发现两种产生超导现象的方法之间的联系。这些新的认识能让人们对这种现象有更全面的理解,并在将来应用到实践之中。


物质有三种常见的状态:固态、液态还有气态。第四种物质状态被叫做等离子态,这种状态就像气态在的原子因为温度过高而分裂,留下了一团超高温的亚原子粒子混合体。实际上,还存在处于温度另一个极端的第五种物质状态,也叫做玻色-爱因斯坦冷凝物(Bose-Einstein condensat,BEC)。


“BEC是一种特殊的物质状态,它并非由粒子而是由波组成,” 东京大学固态物理研究所的副教授Kozo Okazaki说,“当物质温度降低接近绝对零度时,一些材料中原子的边界会模糊,当这种‘模糊’程度逐渐增加时,直到原子(在这种情况下,原子更像波)重叠,个体变得很难区分。产生的这种物质像是一个整体,具有在固态,气态或液态下没有的新特性,比如说超导。直到最近,BEC超导材料都被认为只在理论上可行,但是现在我们在实验室中通过一种基于铁和硒(一种非金属)的新材料,对这一现象进行了证明。”


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偏光图像为研究人员显示了电子(由红叉表示)在不同情况下的实验中导电现象。


这也是第一次,一种BEC状态的物质在实验中被证实可以作为超导体。然而,其他物质形式和状态也可以产生超导体。Bardeen-Cooper-Shrieffer(BCS)状态是物质在接近绝对零度时下的一种粒子排列方式,物质的组成原子会运动减慢并排成一排,这使得电子更容易通过。BCS和BEC都需要低温条件,都包含原子速度变慢的现象。但除此之外,这两种状态还是十分不同。长久以来,研究人员认为如果这两种机制在一些方面重合,那将有助于对超导现象有更全面的认识。


“证明BEC的超导性质是达到目的一种方法,我们非常希望能发现BEC和BCS之间的重合,” Okazaki说,“这非常具有挑战性,但是我们独特的实验仪器和观测方法已经证明了,在这两种机制之间有平滑的过渡。这暗示了在超导现象背后存在一个更全面的基础理论。而这是研究中的一个令人激动的时刻。”


Okazaki和他的团队基于超低温和高能量分辨率激光发射光谱法,观察了一种材料从BCS到BEC状态之间的电子模式。在这两种状态中,电子的表现并不相同,这种行为变化能帮助他们弥补在更全面的超导现象中一些空缺。


超导现象不仅是一项基于好奇心的实验室研究,诸如电磁体等超导设备已经在现实中应用,还比如世界上最大的粒子加速器和大型强子对撞机等。然而,正像上文中所描述的,超导现象需要超低温,这阻止了我们在日常生活中进行超导设备的开发。而毫无疑问,找到在较高温度至室温的超导材料将是非常有吸引力的。


“通过证实物质在BES上具有超导能力,我认为这也将促进其他研究人员探索存在于越来越高温度下的超导材料,” Okazaki说,“现在这可能听起来像科幻小说,但是如果超导材料能存在于室温,我们产生能量的能力将被大大提高,我们对能量的需求也将会降低。”


原文链接:

https://phys.org/news/2020-11-superconductor-previously-thought-impossible.html