超導(dǎo)現(xiàn)象盡管已經(jīng)進入實用,但仍需在極低的溫度下才能實現(xiàn)?,F(xiàn)在,科學(xué)家對意外發(fā)現(xiàn)的室溫超導(dǎo)進行了研究,提出了一種可能的解釋。這一結(jié)果或許有助于開發(fā)出更高溫度的超導(dǎo)材料。
超導(dǎo)現(xiàn)象是如此非同凡響:在超導(dǎo)體中,電流的輸送可以無視電阻,運送過程也不會有一丁點損耗。這項技術(shù)已經(jīng)在一些領(lǐng)域中得到應(yīng)用,比如核自旋斷層掃描儀或是粒子加速器中的磁性材料。然而,要使用這種材料,它們必須被冷卻到極低的溫度。不過在過去的一年里,一項實驗已經(jīng)證明,利用紅外激光脈沖,研究者首次成功地在室溫下做出了超導(dǎo)陶瓷——盡管只持續(xù)了1微秒的百萬分之幾。
如今,來自德國漢堡馬普學(xué)會物質(zhì)結(jié)構(gòu)及動力學(xué)研究所的物理學(xué)家參與的一個國際科學(xué)團隊,已經(jīng)為這種室溫超導(dǎo)現(xiàn)象提出了一種可能的解釋:這些科學(xué)家認(rèn)為,激光脈沖導(dǎo)致晶格中的個別原子短暫發(fā)生位移,因此導(dǎo)致了超導(dǎo)現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)或許有助于開發(fā)能在更高溫度下產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象的材料,從而打來全新的應(yīng)用前景。
起初,超導(dǎo)現(xiàn)象只在少數(shù)幾種金屬處于近乎絕對零度(零下273℃)時才會出現(xiàn)。此后,在20世紀(jì)80年代,物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一類基于陶瓷材料的新材料類別。這些材料可以在零下200℃時發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象,因此被稱作高溫超導(dǎo)材料。復(fù)合氧化釔鋇銅(YBCO)便是其中一種高溫超導(dǎo)材料。這是最具有技術(shù)應(yīng)用前景的材料,可用作超導(dǎo)電纜、電動機和發(fā)動機等。
YBCO晶體具有特殊結(jié)構(gòu):兩層薄的氧化銅層,間隔著稍厚的含鋇(也含銅和氧的)夾層。超導(dǎo)性質(zhì)源于薄薄的兩層氧化銅,電子可以在這里構(gòu)成所謂的“庫珀對”(Cooperpair)。這些庫柏對能夠在不同夾層間“隧穿”——說得再形象點,這意味著它們可以像幽靈穿過墻壁一樣穿過這些夾層,這是一種典型的量子效應(yīng)。
不過,這種晶體只會在“臨界溫度”以下出現(xiàn)超導(dǎo)。只有在這種情況下,庫柏對才能夠不只是隧穿兩個薄層,同時還會“幻影移形”,穿過較厚的夾層到達隔壁的兩個薄層。而在臨界溫度以上,雙層之間則會失去耦合,這塊物質(zhì)就只是普普通通的導(dǎo)電金屬了。
2013年,德國馬普研究所的安德里亞·卡瓦萊里(AndreaCavalleri)與一個國際團隊合作發(fā)現(xiàn),當(dāng)YBCO被紅外激光脈沖照亮?xí)r,在很短的一瞬間,它會暫時在室溫下變成超導(dǎo)體。激光明顯改變了這種晶體中雙層之間的耦合。不過,確切的機制當(dāng)時并不清楚。
于是,物理學(xué)家決定用美國的LCLS,世界上最強大的X射線激光器,從實驗上揭開這個謎題。“我們再次向這種晶體發(fā)射了紅外脈沖,這會激發(fā)某些原子開始振蕩,”最近這項新研究的第一作者、馬普學(xué)會的物理學(xué)家羅曼·曼科夫斯基(RomanMankowsky)解釋說,“短時間之后,我們再用X射線短脈沖照射晶體,精確測量被激發(fā)晶體中的晶體結(jié)構(gòu)。”
結(jié)果,他們發(fā)現(xiàn):紅外脈沖不只是激發(fā)這些原子振蕩,還使它們的位置在晶體中發(fā)生偏移。這會使雙層氧化銅短時間內(nèi)變得更厚一些,增厚了大約2皮米(差不多是一個原子直徑的百分之一),而它們之間的夾層則相應(yīng)變窄了那么多。進而,這樣的變化增加了雙層之間的耦合程度,使得這種晶體在幾皮秒內(nèi)變成了室溫超導(dǎo)體。
一方面,新的研究結(jié)果有助于補完仍舊不完整的高溫超導(dǎo)理論。“另一方面,它可以幫助材料科學(xué)家開發(fā)具有更高臨界溫度的新超導(dǎo)材料,”曼科夫斯基說。“也許不需要冷卻、能夠在室溫下工作的超導(dǎo)材料將不再是夢想。”直到現(xiàn)在,超導(dǎo)磁體、引擎和線纜都必須用液氮或液氦冷卻到遠低于零度的溫度。如果復(fù)雜的冷卻設(shè)施不再需要,那超導(dǎo)技術(shù)就獲得了突破。
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