超导体:电阻是无用的

超导体:电阻是无用的

每一根标准电缆,每一根电线,每一个电子设备都有一些电阻。然而,有些超导材料具有导电能力,其电阻至少在极低温度下为零。找到一种在室温下表现为超导体的材料将是一项具有不可思议的概念和技术重要性的科学突破。它可以导致广泛的新应用,从悬浮列车到医学的新成像技术。

寻找高温超导体是非常困难的,因为许多与超导性有关的量子效应还没有被很好地理解。Tu Wien(维也纳)固态物理学教授Neven Bari_i_教授正在用铜率进行实验,铜率是一类在环境压力下记录温度高达140K时表现为超导体的材料。Bari_i_和他的同事们现在已经提出了一系列值得注意的结果和新见解,这些结果和新见解可以深刻地改变我们对这些复杂材料的思考方式,以及总体上的高温超导性。

寻求圣杯

“高温超导现象已经被彻底研究了几十年,但还没有人能解决这个问题,”尼文·巴里·伊勒说。相当多的材料在接近绝对零度的温度下表现出超导行为,我们理解其中一些材料为什么会发生这种现象。但真正的挑战是要了解铜的超导性,在那里这种状态在更高的温度下持续存在。一种在室温下表现为超导体的材料将是固态物理学的圣杯,我们越来越接近它。”

Bari_i_和他的同事们已经证明在铜率中有两种基本上不同的电荷载流子,并认为超导性至关重要。这取决于它们之间的微妙的相互作用。

有些电荷是局部化的,每个电荷载体都位于一组特定的原子上,只有当材料被加热时才能移动。其他电荷载流子可以从一个原子跳到另一个原子。最终成为超导的是移动电荷,但超导性也只能通过考虑不动电荷载流子来解释。Bari_i_说,

“移动电荷载流子和不动电荷载流子之间存在相互作用,它们控制着系统的特性”。显然,不动电荷起着胶水的作用,将成对的移动电荷载体结合在一起,形成所谓的库珀对,这是经典超导体背后的基本思想。一旦电荷载流子配对,就会变成超导的,并且材料可以以零电阻传输电流。”

这意味着,为了获得超导性,必须有移动和不移动电荷载流子的微妙平衡。如果局部电荷载流子太少,那么就没有足够的“胶水”来匹配移动电荷载流子。另一方面,如果移动电荷载体太少,那么“胶水”就无法配对。无论哪种情况,超导电性都会减弱或完全停止。在最佳的中地超导电性在非常高的温度下持续存在。很难理解,移动和不移动电荷之间的平衡随着温度或掺杂的作用而逐渐改变。

“我们对铜离子进行了许多不同的实验,收集了大量数据。最后,我们现在可以为铜的超导性提出一个全面的现象学图景,”尼文·巴里西克说。他最近在《科学进展》杂志上发表了他的研究结果,证明超导性也以渐进的方式出现。这是朝着了解铜率和寻找新的甚至更好的超导体的目标迈出的重要一步。

如果能够制造出即使在室温下也能保持超导体的材料,这将对技术产生深远的影响。电子设备的制造几乎不需要任何能源。悬浮列车可以使用非常强的超导磁铁来建造,从而使廉价、超快的运输成为可能。“我们还没有接近这个目标,”内文·巴里西克说。但是对高温超导电性的深入了解将为实现这一目标铺平道路。我相信,我们已经朝着这个方向迈出了几步重要的步骤。”

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