电子配对远远超过超导体的临界温度

要闻2021-10-06 12:11:38容发功
导读物理学家发现,“电子配对”是超导的一个标志性特征,其温度和能量都远高于超导的临界阈值。莱斯大学的道格纳特森是《自然》杂志本周工作论
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物理学家发现,“电子配对”是超导的一个标志性特征,其温度和能量都远高于超导的临界阈值。

莱斯大学的道格纳特森是《自然》杂志本周工作论文的合著者,他说,发现库珀的电子“略高于临界温度”不会让一些人感到惊讶。奇怪的是,它似乎有两种不同的能量尺度。能量尺度越高,成双成对,能量尺度越低,他们都决定携起手来,集体一致行动,这实际上带来了超导性。

电阻在现代世界非常普遍,我们大多数人都认为电脑、智能手机和电器在使用过程中会变暖。产生热量是因为电流不能自由流过设备中的金属线和硅片。相反,流动的电子偶尔会与原子或彼此碰撞,每次碰撞都会产生一点热量。

自1911年以来,物理学家已经知道,在超导体材料中,电流可以无阻力流动。1957年,他们找到了原因:在某些条件下,包括通常非常冷的温度,电子成对地连接在一起——这些东西通常是被禁止的,因为它们是互斥的——作为对,它们可以自由流动。

与赖斯、布鲁克海文国家实验室和康涅狄格大学的专家合作的Natel Sen说:“为了获得超导性,一般的感觉是你需要匹配,你需要在它们之间达到某种一致性。“很长一段时间,问题是‘你什么时候拿到火柴的?’因为在传统的超导体中,一旦成对,就会产生相干性和超导性。"

电子是以第一个描述它们的物理学家利昂库珀的名字命名的。除了解释经典超导性,物理学家还认为库珀对带来了高温超导性,这是20世纪80年代发现的非常规变体。它之所以被称为“高温”,是因为它的温度仍然很冷,但比传统超导体的温度高得多。物理学家一直梦想让高温超导体在室温下工作,这一发展将从根本上改变全球能源的制造、移动和使用方式。

来自莱斯大学(左)、周和来自布鲁克海文国家实验室和康涅狄格大学的道格纳泰尔森的物理学家及其同事发现了电子配对的证据——超导的象征特征——温度和能量远高于临界阈值。这项研究发表在本周的《自然》杂志上。图片:杰夫菲特洛/莱斯大学

然而,尽管物理学家对经典超导体中电子配对是如何发生的以及为什么会发生有清晰的认识,但对高温超导体却不能这样说,比如新研究中的La-Sr-Cu氧化物(LSCO)。

每个超导体都有一个电阻消失的临界温度。Natelson说,近20年来对氧化铜超导体的理论和研究表明,在这个临界温度以上形成了库珀对,当材料冷却到临界温度时,它们会同步运动。

“如果这是真的,你在更高的温度下配对,问题是,‘你能在这些温度下保持一致性吗?’”“纳特尔说。“你能以某种方式说服他们在被称为赝能隙的区域开始他们的舞蹈吗?赝能隙是一个相空间,其温度和能量尺度高于超导阶段。”

在自然研究中,Natelson和他的同事在布鲁克海文的ivanboovi实验室发现的超纯LCSO样本的传导噪音中发现了这种更高能量配对的证据,该研究的合著者。

“他已经成长为世界上最好的材料,我们的测量和结论只有在这些样品的纯度下才有可能,”纳特森说。“他和他的团队制作了一种叫做隧道结的装置,我们研究的不是仅仅看电流,而是叫做散粒噪声的电流波动。

“在大多数情况下,如果你测量电流,你是在测量平均值,而忽略了电流是带电的这一事实,”Natel说。“这与测量家庭日平均降雨量之间的差异有关,而不是测量任何特定时间下落的雨滴数量。”

通过测量流经LCSO结的离散电荷的变化,纳泰尔森和他的同事发现,单个电子的通过不能解释在远高于超导发生的临界温度的温度和电压下流经结的电荷。

“有些指控肯定是更大的一块,这是一对,”他说。“这是不寻常的,因为在传统超导体中,一旦超过与超导性相关的特征能量范围,这些对就会被撕开,你只能看到一个单一的电荷。

纳特森说:“似乎LCSO包含另一个能级,在这个能级中,这些对形成了,但还没有集体行动。”“人们以前也提出过关于这类事情的理论,但这是它的第一个直接证据。”

示意图显示了一个三层结构:顶部和底部是超导氧化镧锶铜(LSCO),两者之间是绝缘氧化镧铜(LCO)。图片:布鲁克海文国家实验室。

Natel说,现在说物理学家能否利用新知识诱导成对粒子在非常规超导体中更高温度下自由流动还为时过早。然而,博若维奇表示,这一发现对研究高温超导体和其他类型凝聚态物质的理论物理学家有着“深远的影响”。

“从某种意义上说,教科书的章节必须重写,”博乔维奇说。“从这项研究来看,我们似乎有了一种新型金属,其中很大一部分电流是由电子对携带的。在实验方面,我预计这一发现将带来大量后续工作——例如,使用相同的技术测试其他铜酸盐或超导体、绝缘体和层厚。”

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