科学家发现新的物质形态,意味着可以在更高温

 新闻资讯     |      2020-06-29 23:27

多年来,物理学家们一直认为库珀对,可以消除超导体的电阻,能自由通行导电的电子对。它们要么自由滑行,创造超导状态,要么通过在物质内部无法移动而产生绝缘状态。

库珀对是以布朗大学物理学教授利昂·库珀的名字命名的,他因描述自己在超导电性方面的作用而于1972年获得诺贝尔奖。当电子在物质的原子晶格中移动时,会产生电阻。但是当电子结合成库珀对时,它们就发生了显著的转变。电子本身就是费米子,即服从保利排斥原理的粒子,这意味着每个电子都倾向于保持自己的量子态。然而,Cooper对的行为就像玻色子,它可以快乐地分享相同的状态,即量子纠缠态。这种玻色子行为允许Cooper对协调它们与其他的Cooper对的运动,从而将电阻降低到零。

11月14号,一篇发表在《科学》杂志的文章已经证明,库珀对也能像普通金属一样具有一定的电阻。研究人员说,这些发现描述了一种全新的物质状态,这将需要一个新的理论解释。

布朗大学(Brown University)物理学教授吉姆·瓦勒斯(Jim Valles)说:“有证据表明,当薄膜超导体冷却到超导温度时,会出现一种金属状态,但这种状态是否涉及库珀对还是个未知数。”“我们发明了一种新方法,使我们能够测试这个问题。我们证明,库珀对确实负责在这种金属状态下传输电荷。有趣的是,没有人能在基本条件下确定它们是如何做到的,因此这一发现需要更多的理论和实验工作,才能准确地了解发生的这种现象。”

2007年,Valles与布朗工程和物理学教授Jimmy许合作,发现Cooper对也能产生绝缘态和超导电性。在一种非常薄的材料中,这对电子被搁浅在一个小岛屿,无法跳到下一个岛,电阻就这样产生了,它们不能同时前进。

在这项新的研究中,瓦勒斯、徐教授和他领导的科研小组使用了一种类似于揭示库珀对绝缘体的技术,在非超导金属状态下寻找库珀对。这项技术包括制作薄膜超导体,使用的是高温超导体钇钡铜氧化物(Ybco)为阵列的小孔。当材料中有电流流过并暴露在磁场中时,材料中的电荷载流子就像水绕着排水沟一样绕着洞旋转,产生漩涡。

“我们可以测量这些电荷循环的频率,”Valles说。“在这种情况下,我们发现频率是一致的,一次有两个电子,而不是一个。因此我们可以得出结论,这种状态下的电荷载流子是Cooper对,而不是单个电子。”

研究人员说,像玻色子一样的库珀对是这种金属态的罪魁祸首,这是一个令人惊讶的想法,因为量子理论中有一些元素表明这是不可能的。因此,了解在这种状态下正在发生的事情可能会带来一些令人兴奋的新物理,但还需要更多的研究。

幸运的是,研究人员说,这一现象是在高温超导体中检测到的,这将使未来的研究更加实用。YBCO在摄氏-181度左右开始超导,而出现金属相则要高于此温度。这是相当冷的,但它比其他超导体要温暖得多,这些超导体在绝对零度以上是活跃的。较高的温度使人们更容易使用光谱学和其他技术,以便更好地了解这一金属相所发生的情况。

Valles说:“关于玻色子的问题是,它们往往处于波状态,而不是电子,所以我们讨论它们有一个相位,并以光一样的方式产生干涉。”“因此,可能会有新的方式,利用玻色子之间的干扰,在器件中移动电荷。”

“科学是建立在发现的基础上的,”来自中国的徐教授说,“发现全新的东西感觉真是太好了。”

能够在更高温度下实现超导,更容易实现技术是的广泛应用,给许多领域带来创新的曙光,每每有所发现,科学家兴奋的心情是不言而喻的。