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超導(dǎo)之謎原來(lái)如此?科學(xué)家在超導(dǎo)體中,,直接觀察到一種量子效應(yīng),!

 博科園 2020-02-05

由普林斯頓大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì),直接觀察到了一種含鐵高溫超導(dǎo)體中令人驚訝的量子效應(yīng),。超導(dǎo)體在沒有電阻的情況下導(dǎo)電,,使其在長(zhǎng)距離電力傳輸和許多其他節(jié)能應(yīng)用中很有價(jià)值。傳統(tǒng)超導(dǎo)體只能在極低的溫度下工作,,但大約十年前發(fā)現(xiàn)的某些鐵基材料可以在相對(duì)較高溫度下進(jìn)行超導(dǎo),,并引起了科學(xué)家們的注意。鐵基材料中超導(dǎo)電性究竟是如何形成的是一個(gè)謎,,特別是因?yàn)殍F的磁性似乎與超導(dǎo)電性的出現(xiàn)相沖突,。

對(duì)鐵基超導(dǎo)體等非常規(guī)材料的更深入研究,可能最終促使下一代節(jié)能技術(shù)的新應(yīng)用,??茖W(xué)家們探索了添加雜質(zhì)(即鈷原子)時(shí)鐵基超導(dǎo)體的行為,,以探索超導(dǎo)性是如何形成和消散的。其發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們對(duì)60年前關(guān)于超導(dǎo)行為的理論有了新認(rèn)識(shí),,其研究成果現(xiàn)在發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上,。普林斯頓大學(xué)尤金·希金斯物理學(xué)教授M·扎希德·哈桑(M.Zahid Hasan)領(lǐng)導(dǎo)了該研究團(tuán)隊(duì):添加雜質(zhì)是了解超導(dǎo)體行為的一種有用方法,這就像通過(guò)投擲石頭來(lái)探測(cè)湖中水的波浪行為,。

超導(dǎo)特性對(duì)雜質(zhì)的反應(yīng)方式揭示了它們量子級(jí)細(xì)節(jié)的秘密,。一個(gè)由來(lái)已久的想法被稱為安德森定理預(yù)測(cè),雖然添加雜質(zhì)可以將無(wú)序引入超導(dǎo)體,,但在許多情況下,,它不會(huì)破壞超導(dǎo)電性。這個(gè)定理是1959年由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者物理學(xué)家菲利普·安德森(Philip Anderson)提出,,他也是普林斯頓大學(xué)的約瑟夫·亨利(Joseph Henry)物理學(xué)教授,,榮休。但總有例外:鈷似乎是這些例外之一,,與理論相反,,鈷的加入迫使鐵基超導(dǎo)體失去超導(dǎo)能力,變得像普通金屬一樣,,電以電阻流動(dòng),,并以熱的形式浪費(fèi)能量。

到目前為止,,還不清楚這是如何發(fā)生的,,為了探索這種現(xiàn)象,普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用了一種被稱為掃描隧道顯微鏡的技術(shù),,這種技術(shù)能夠?qū)蝹€(gè)原子進(jìn)行成像,,以研究一種由鋰、鐵和砷制成的鐵基超導(dǎo)體,。將鈷原子形式的非磁性雜質(zhì)引入超導(dǎo)體,,以觀察它的行為,??茖W(xué)家們?cè)跇O低的溫度下測(cè)量了大量樣品,約為零下237.78攝氏度(400毫開爾文),,比外太空低近10華氏度,。在這些條件下,研究人員定位并測(cè)量了晶格中的每個(gè)鈷原子,。

然后直接測(cè)量了它在原子局部尺度和樣品全局超導(dǎo)性質(zhì)上對(duì)超導(dǎo)電性的影響,。為了做到這一點(diǎn),研究人員在這些極低的溫度下,,以原子水平的分辨率研究了超過(guò)30個(gè)不同濃度的晶體,。該研究的第一作者Songtian Sonia Zhang說(shuō):不能保證任何給定的晶體都會(huì)提供所需要的高質(zhì)量數(shù)據(jù),。作為這個(gè)廣泛實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,研究小組發(fā)現(xiàn)每個(gè)鈷原子都有一個(gè)有限的局部影響,,在距離雜質(zhì)的地方消失了一個(gè)或兩個(gè)原子,。然而,隨著鈷濃度的增加,,通過(guò)相變進(jìn)入正常的非超導(dǎo)狀態(tài),,有一個(gè)強(qiáng)大的系統(tǒng)演化,通過(guò)引入更多的鈷原子,,超導(dǎo)電性最終被完全破壞,。

導(dǎo)性是由于兩個(gè)電子配對(duì)形成一個(gè)量子態(tài),這種量子態(tài)由一種稱為波函數(shù)的性質(zhì)描述,。這種配對(duì)使得電子可以快速穿過(guò)材料,,而沒有日常金屬中發(fā)生的典型電阻。散射電子和打破電子對(duì)所需的最小能量稱為“超導(dǎo)能隙”,。當(dāng)加入鈷原子時(shí),,散射強(qiáng)度可以用兩種方式來(lái)描述:強(qiáng)極限和弱極限。以物理學(xué)家Max Born命名的玻恩極限散射具有最弱干擾電子波函數(shù)的潛力,,這些電子波函數(shù)對(duì)電子-電子相互作用以及電子配對(duì)至關(guān)重要,,通過(guò)取代鐵原子,鈷原子表現(xiàn)為出生極限散射體,。

雖然玻恩極限散射體具有相對(duì)較弱破壞超導(dǎo)電性的潛力,,但當(dāng)許多散射體結(jié)合在一起時(shí),它們會(huì)破壞超導(dǎo)電性,??茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),對(duì)于砷化亞鐵鋰材料,,在玻恩極限的散射顯然能夠違反安德森定理,,導(dǎo)致從超導(dǎo)狀態(tài)到非超導(dǎo)狀態(tài)的量子相變。超導(dǎo)材料可以用稱為隧穿光譜的特征來(lái)描述,,該特征提供了對(duì)材料中電子行為的描述,,并充當(dāng)電子的能量分布剖面。砷化亞鐵鋰材料具有所謂的“S波”間隙,,其特征是超導(dǎo)能量間隙中的平坦“U”形底部,,完全打開的超導(dǎo)間隙表示超導(dǎo)材料的質(zhì)量。

令人驚訝的是,,鈷雜質(zhì)不僅抑制了超導(dǎo)電性,,還改變了性質(zhì),因?yàn)樗?/span>從U形演變?yōu)閂形。超導(dǎo)帶隙的形狀通常反映了描述超導(dǎo)性質(zhì)的“序參數(shù)”,。這樣的形狀是有序參數(shù)的特征,,這些有序參數(shù)只出現(xiàn)在唯一數(shù)量的高溫超導(dǎo)體中,并且暗示著極非常規(guī)的行為,。通過(guò)改變序參數(shù)(例如,,通過(guò)改變超導(dǎo)帶隙的形狀而反映在測(cè)量中)的表觀轉(zhuǎn)變只會(huì)增加量子之謎。這種演變是不尋常的,,并促使科學(xué)家深化他們的研究,,通過(guò)將理論計(jì)算與磁性測(cè)量相結(jié)合,能夠確認(rèn)鈷散射的非磁性性質(zhì),。

由于安德森定理指出,,非磁性雜質(zhì)對(duì)這種類型的超導(dǎo)體幾乎沒有影響,研究人員意識(shí)到必須開發(fā)另一種理論,。在鐵基超導(dǎo)體中,,科學(xué)家們推測(cè),在不同的“費(fèi)米口袋”(由于電子占據(jù)規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)而形成的能量計(jì)數(shù))超導(dǎo)有序參數(shù)的相位有符號(hào)變化,。Hasan團(tuán)隊(duì)的博士后研究員,、該研究的合著者Ilya Belopolski表示:區(qū)分常規(guī)超導(dǎo)和符號(hào)改變超導(dǎo)需要對(duì)超導(dǎo)序參數(shù)進(jìn)行相敏測(cè)量,這可能是極具挑戰(zhàn)性的,,研究實(shí)驗(yàn)的一個(gè)好的方面是,,通過(guò)考慮違反安德森定理,可以繞過(guò)這一要求,。

實(shí)上,,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),通過(guò)在超導(dǎo)電性的序參數(shù)中引入這種符號(hào)變化,,能夠復(fù)制鈷雜質(zhì)的奇數(shù)演化,。除了這些最初的計(jì)算之外,還采用了另外三種最先進(jìn)的理論方法來(lái)證明非磁性鈷散射體對(duì)這種符號(hào)變化超導(dǎo)體的影響,。三個(gè)不同的理論模型都指向同一個(gè)解釋的事實(shí)表明,,這是一個(gè)強(qiáng)有力的結(jié)論,在尋求解決超導(dǎo)之謎的過(guò)程中,,開發(fā)出了并不總是彼此一致的復(fù)雜模型,。在這種情況下,與模型無(wú)關(guān)的結(jié)果明確地指出,,這是一種符號(hào)變化的奇異超導(dǎo)體,,最初并沒有被安德森的研究考慮到。

博科園|研究/來(lái)自:普林斯頓大學(xué)

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.217004

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