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科学网2007年6月8日讯 高温超导研究的一个终极目标就是要找到在常温下具有超导特性的材料。如果能够实现,人类将在多个领域广泛受益。最近,科学家又朝着这个目标迈进了一步。他们发现,临界高温超导材料具有类似金属的特性。这一成果有望加深科学家对于超导现象和整个超导理论的理解。相关论文发表在5月31日的《自然》杂志上。1911年,利用液氦的低温,科学在-269°C时发现了超导电性现象。具有超导特性的物体自身电阻为零,而且磁场不能穿过。不过,超导现象只能在极低的温度下发生,这大大限制了它在能量传输和医学成像等方面的应用。 1987年,研究人员得到了所谓的“高温超导材料”,它们的临界温度高于77K(-196°C)。这与常温相比还是很低的,到目前为止,高温超导材料的临界温度纪录是138K(-135°C)。高温超导材料的发现大大激发了科学家进一步寻找常温超导材料的热情,不过,由于受一些基础性问题的困扰,相关研究屡屡受挫,其中很重要的一个问题就是超导材料中的电子运动。 在最新的研究中,来自法国国家科学研究中心(CNRS)脉冲磁场国家实验室(National Laboratory for Pulsed Magnetic Fields)的研究人员与加拿大Sherbrooke大学的科学家一道,观测到了临界高温超导体的“量子振动”。他们在极低的温度下(1.5K—4.2K),将实验样品置于62特斯拉(地磁场强度的100万倍)的超强磁场之中,结果发现,磁场破坏了样品的超导状态,而恢复到常态的样本由于受磁场的影响,表现出了电阻的振动。鉴于这种振动正是金属的特性,研究人员认为,他们所研究的临界高温超导样品中电子的运动方式与一般金属类似。 研究人员为了这个结论,足足等了20年。它无疑将加深人们对于临界高温超导电性的认识,此外,新的发现也有助于一些超导理论脱颖而出,为构建新的理论打下坚实的基础。
铜氧化物材料中的超导电性自1986年发现以来,其超导机制就一直是人们关心的中心问题。这类材料的一个普遍特性是在超导转变温度TC以上很宽的温度范围内有赝能隙及费米弧的存在,而对这些现象的正确理解是寻找超导配对机理的重要方面。目前通过角分辩光电子谱(ARPES)和扫描隧道显微镜(STM)等重要的谱学手段得到的对赝能隙与超导能隙的认识尚不一致,主要存在着两种不同的观点:一是单能隙或预配对观点,即赝能隙起源于超导预配对,另一则是两能隙观点,即赝能隙的起源与超导电性无关。 对于经典BCS超导体的研究,Giaever的平面型隧道结曾发挥了重要作用。通过隧道谱,人们可以方便地确定超导能隙、电子态密度、准粒子寿命以及导致配对的电声相互作用(有效声子谱)等重要参数。Bi2Sr2CaCu2O8+δ本征约瑟夫森结是目前质量最好的铜氧化物材料的平面型隧道结,此类结是以晶体内的CuO2双层作为电极、BiO/SrO作为隧道势垒层所形成(见图一中的插图),因此可以避免所有外在的实验不确定因素,提供各种稳定、重复的温度依赖的测量,但早期利用此类隧道结进行的研究受到了自热效应的影响,以致测量的本征隧道谱出现严重的变形。 最近,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)赵士平研究组和王楠林研究组、顾长志研究组合作,优化了Bi2Sr2CaCu2O8+δ本征约瑟夫森结表面层的接触并将结的面积减小到深亚微米尺度,从而成功解决了自热效应,获得了多种掺杂的Bi2Sr2CaCu2O8+δ材料在全温区的本征隧道谱(图一)。采用隧道实验中常用的处理方法对这些隧道谱的分析发现,在T* 温度赝能隙出现后,随着温度的降低,超导能隙会在某个温度Tc0开始打开,其中Tc0明显高于超导转变温度Tc,而超导能隙随温度的变化与d-波BCS能隙规律完全符合。这些结果也得到了零压电导随温度的变化规律的证实。分析给出了超导态与赝隙态的基本参数(图二),同时表明在动量空间赝能隙主导反节点区域,而超导能隙主导节点区域。随着温度下降到Tc0,超导配对首先出现在节点附近的费米弧上,到了Tc以下,超导配对由节点区逐渐扩展到反节点区,最后在远远低于Tc时形成全费米面的d波超导能隙。计算也得到了超导相由于准粒子和库柏对的有限寿命所导致的费米弧,其中弧长对温度显示了常见的线性依赖关系。 这些结果为高Tc超导电性的探索提供了新的实验事实 【详见Sci. Rep. 2, 248(2012)】。 上述研究得到国家自然科学基金委、科技部和中国科学院相关项目的资助。http://www.cas.cn/ky/kyjz/201205/W020120517361959073689.png图一、不同掺杂的Bi2Sr2CaCu2O8+δ超导体的本征电子隧道谱,插图为晶体内部隧道结的形成情况。http://www.cas.cn/ky/kyjz/201205/W020120517361959086333.png图二、超导和赝隙态的(a)特征温度和(b)能隙随掺杂的变化,插图为2Δs/kTc0值。http://www.cas.cn/images/fj.gifEnergy gaps in Bi2Sr2CaCu2O8+δ cuprate superconductors
据美国物理学家组织网9月6日(北京时间)报道,美国科学家将两块不具有磁性的绝缘体粘合在一起,结果发现,它们相遇的接口层既有磁性又有超导性。这一结果令人吃惊,因为在正常情况下,磁性和超导性无法共存,科学家有望据此研制出新奇的电子材料。研究论文发表在9月5日出版的《自然-物理学》杂志上。 斯坦福材料和能源科学研究所(SIMES)、美国能源部下属的斯坦福直线加速器中心和斯坦福大学的科学家携手进行了这项研究。该论文的第一作者、SIMES的研究生朱丽·伯特和同事与来自日本东京大学的应用物理学家哈罗德·黄一起,将一薄层铝酸镧放置在一个钛酸锶基座上,结果发现,这两种复合氧化物相遇的原子层变得具有磁性,同时在接近绝对零度的温度下,电流能毫无电阻地流过该处,这表明,该原子层也具有超导性。