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郑州华晶金刚石股份有限公司

利用高强度红外光脉冲,获得隐秘的超导状态

关键词 超导体 , 单晶棒|2018-02-25 09:54:21|来源 材料科技在线
摘要 科学家利用高强度红外光脉冲发现,在温度处于开始无阻抗地传输电力的临界温度以上时,超导电性与材料中电荷“条纹”相关的证据,----这一发现可以帮助他们设计出更好的高温超导体。物理学家...

       科学家利用高强度红外光脉冲发现,在温度处于开始无阻抗地传输电力的临界温度以上时,超导电性与材料中电荷“条纹”相关的证据,----这一发现可以帮助他们设计出更好的高温超导体

       物理学家Genda Gu在Brookhaven最先进的晶体生长实验室中举着LBCO的单晶棒——一种由镧,钡,铜和氧组成的复合物。背景图是他用来合成这些高品质水晶的红外图像炉。

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       图片来源:布鲁克海文国家实验室

       该科研团队已经在含有镧、钡、铜和氧元的层状材料(LBCO)中发现电子以隐藏状态存在。而当冷却到一定温度和一定浓度的钡时,虽然LBCO在没有电阻时仍导电,但是现在有证据表明超导状态实际上也发生在该温度以上。只是使用合适的工具的问题,只有在这种情况下,利用红外光的高强度脉冲才能看到它。

       在2月2日出版的《科学》杂志上发表的一篇论文中,该团队的发现进一步揭示了LBCO和在其他元素之间含有铜和氧夹层的类似化合物中超导电性的数十年的神秘感。这些“铜酸盐”在比传统超导体更高的温度下变成超导体,要使它们的电子以100%的效率流过它们,超导体必须冷冻到接近绝对零度(零下459华氏度)。了解铜酸盐的内部属性可以帮助科学家设计更好的高温超导体,消减昂贵冷却系统的成本并提高发电、输电和配电的效率。想象一下,永远不会升温的电脑,还有不会损耗能量的电网。

       美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室凝聚态物理和材料科学系中子散射团队的物理学家兼团队负责人John Tranquada说,“自20世纪80年代以来我们一直在研究铜矿,最终的目标是在室温下实现超导电性,如果我们想通过设计做到这一点,我们必须弄清楚哪些特征对于超导性是至关重要的。然而,在诸如铜酸盐这样复杂的材料中剔除这些特征并非易事。”

       LBCO的铜—氧平面包含由电子自旋,其是以相反方向交替的一类磁性分开的电荷的“条纹”。为了保证LBCO变成超导体,这些条纹中的单个电子需要在整个材料中配对并能一致移动。

       之前的实验表明,在保证LBCO变为超导的温度之上,当电输送垂直于面时有电阻,但在电输送平行于面时电阻为零。理论学家们则提出,这种现象可能属于超导电性的一种不寻常的空间调制,超导状态的振幅从一个电荷带移动到另一个电荷带时,振荡由正向负。条纹图案在层与层之间旋转90度,并且他们认为这种相对方向阻止了超导电子对在层之间的相干移动。

       Tranquada说:“这个想法类似于将光线通过一对光学偏光镜,比如某些太阳镜的镜片,当偏光镜方向一致时,它们可以通过光线,但当其相对方向旋转到90度时,偏光镜会阻挡所有光线。”

       然而,直到现在,一直缺乏这张照片的直接实验性测试。

       还有一个挑战是合成实验所需的LBCO的大尺寸、高品质单晶。Tranquada团队的物理学家、合著者Genda Gu说:“一个晶体的生长大概需要两个月的时间,这个过程需要精确地控制温度、气氛、化学成分和其他条件。”Gu使用了一台红外成像炉(一台带有两盏亮灯的机器),它将红外光聚焦到一个含有起始材料的圆柱形棒材上,将材料加热到接近华氏2500度并使其熔化,在国家晶体生长实验室中生长LBCO晶体。

       马克斯普朗克物质结构与动力学研究所以及牛津大学的合作者,随后将高强度激光脉冲产生的红外光导向晶体(在垂直于平面的方向上进行光偏振),并测量从样品反射回来的光的强度。除了通常的反应---晶体反射的光线频率与入射光线相同,但是科学家们发现反射光信号却比入射光频率高三倍。

       “对于具有三维超导性的样品,超导特征可以通过基频和三次谐波看到,”Tranquada说,“对于电荷条纹阻挡层间超导电流的样品,虽然在基频上没有光学信号,但是,通过驱动系统与强烈的红外光平衡,科学家们发现了层间的净耦合,超导信号出现在三次谐波中。我们曾经怀疑电子配对是存在的,只是需要一个更强的工具来使揭示这种超导机理。”

       汉堡大学理论家对反射率的分析和数值模拟支持这一实验的观察结果。

       这项研究又提供了一种新技术来探测高温超导体中不同类型的电子序列,这种新的认识将有助于解释铜酸盐中的其他独特的行为。

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日期 2005-08-10   技术信息
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