2019-08-22 06:48:01
电子配对远远超过超导体的临界温度

物理学家发现“电子配对”是一种超导电性的标志性特征,其温度和能量远高于超导率发生的临界阈值。

莱斯大学的Doug Natelson是一篇关于本周“自然”杂志的论文的共同作者,他说,发现Cooper对电子“有点高于临界温度对某些人来说不会让人感到惊讶”。更奇怪的是,它看起来有两种不同的能量尺度。能量尺度越高,形成对,并且能量尺度越低,它们都决定联手并集体和连贯地行动,这实际上带来了超导的行为“。

电阻在现代世界中非常普遍,我们大多数人都认为计算机,智能手机和电器在使用过程中会变得温暖。发热是因为电流不能自由流过设备内的金属线和硅芯片。相反,流动的电子偶尔碰撞原子或彼此,每次碰撞产生一点点热量。

自1911年以来,物理学家就已经知道,在超导体材料中,电流可以无阻力地流动。并且在1957年,他们弄清楚了原因:在特定条件下,包括通常非常寒冷的温度,电子成对地连接在一起 - 由于它们相互排斥而通常被禁止的东西 - 并且作为成对,它们可以自由地流动。

“为了获得超导性,一般的感觉就是你需要配对,你需要在它们之间达到某种程度的连贯性,”纳特尔森说,他与赖斯,布鲁克海文国家实验室和康涅狄格大学的专家合作研究。 “问题,很长一段时间,是'你什么时候得到配对?'因为在传统的超导体中,一旦形成对,就会产生相干性和超导性。“

电子对以Leon Cooper命名,Leon Cooper是首先描述它们的物理学家。除了解释经典超导性之外,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。它被称为“高温”,因为它发生的温度虽然仍然很冷,但却远高于传统超导体。物理学家一直梦想制造在室温下工作的高温超导体,这一发展将从根本上改变全球能源制造,移动和使用的方式。

但是,虽然物理学家清楚地了解电子配对在经典超导体中如何以及为何发生,但对于高温超导体,如新研究中的镧锶铜氧化物(LSCO),也不能说同样的情况。

每个超导体都具有电阻消失的临界温度。 Natelson说过去20年来铜氧化物超导体的理论和研究表明,Cooper对形成在这个临界温度之上,并且当材料冷却到临界温度时才会变得一致地移动。

“如果这是真的,你已经在更高的温度下配对了,问题是,'你能在这些温度下保持连贯吗?'”纳特尔森说。 “你能否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,这是一个比超导阶段更高的温度和能量尺度的相位空间。”

在自然研究中,Natelson及其同事在该研究的共同通讯作者布鲁克海文的IvanBožović实验室中发现的超纯LCSO样本的传导噪声中发现了这种更高能量配对的证据。

“他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,”Natelson说。 “他和他的团队制造了称为隧道结的设备,而不只是看电流,我们研究了当前称为散粒噪声的波动。

“在大多数情况下,如果你测量电流,你就是在测量平均值而忽略了电流充电的事实,”纳特尔森说。 “这与衡量家庭平均每日降雨量之间的差异有关,而不是衡量在任何特定时间下降的雨滴数量。”

通过测量流经LCSO结的离散电荷量的变化,Natelson及其同事发现,单个电子的通过无法解释在远高于发生超导的临界温度的温度和电压下流过结的电荷量。

“有些收费必须是更大的一块,这是一对,”他说。 “这是不寻常的,因为在传统的超导体中,一旦超过与超导相关的特征能量范围,这些对就会被撕裂,你只看到单个电荷。

Natelson说:“看起来LCSO包含另一个能量级,其中这些对形成但尚未集体行动。” “人们之前已经提出了关于这类事情的理论,但这是它的第一个直接证据。”

纳特尔森表示,现在说物理学家是否可以利用新知识来诱导配对在非常规超导体中在较高温度下自由流动还为时尚早。但Božović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具有“深远影响”。

“在某种意义上,教科书章节必须改写,”Božović说。 “从这项研究中,似乎我们有一种新型金属,其中很大一部分电流是由电子对携带的。在实验方面,我预计这一发现会引发很多后续工作 - 例如,使用相同的技术测试其他铜酸盐或超导体,绝缘体和层厚度。“

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