超导实验室

2012年10月02日 08:59 新浪科技 http://i2.sinaimg.cn/IT/2012/1002/U5385P2DT20121002084835.jpg　　悬浮中的超导体：物理学家们对于超低温超导，即所谓“标准超导”背后的原理已经基本搞清，但是对于“高温超导”领域，比如室温环境下如何实现超导的原理仍然知之甚少　　新浪科技讯 北京时间10月2日消息，最近科学家们在室温超导研究方面取得了一项发现，这一结果如果得到证实，将大大加快无损远距离输电和磁悬浮列车的研制的进程。　　尽管物理学家们已经搞清楚了在超低温超导，即所谓“标准超导”，比如零下275摄氏度低温环境下实现超导背后的原理，在“高温超导”领域，比如在高出绝对零度140度的环境下如何实现超导的原理仍然知之甚少。研究人员们仍然不清楚为何这些“温暖”的物质可以实现零电阻导电，科学家们也无法知道在相对高温的环境下，如室温环境下物质是否可以实现超导。而这正是此次的这项发现所要解答的。　　根据一份发表在《先进材料》杂志上的文章，价格便宜且容易获取的石墨粉似乎显示出超导特性的信号。并且这一切并不需要价格昂贵的低温冷却设备——让石墨粉显示超导性所需的材料仅仅是一盆水即可。　　德国来比锡大学的帕布罗·艾斯奎纳兹(Pablo Esquinazi)和其它物理学家最先于2012年发表在arXiv网站上的一篇文章中探讨了石墨的超导性。这些石墨材料中的一部分表现出约瑟夫逊效应，也就是在隔绝两块超导体之间的障碍中形成电子隧道的现象。这一效应说明这些石墨样本中包含具有超导特性的区域。　　艾斯奎纳兹表示：“基于这项工作，以及在过去3年间我们所做的工作，我们坚信这其中蕴藏着超导区域的可能性是存在的。”为了验证这种想法，研究人员用水处理石墨粉：他们将其与水混合23小时，将其取出过滤，并在100摄氏度环境中干燥。随后他们将这一经过水处理的石墨粉样本在改变的磁场环境中进行实验，观察其反应。　　石墨和其它一些材料在此之前便代表着室温超导研究的希望。在过去也曾有一些文章报告在经过硫或氧处理后的石墨粉中检测到微弱的，间接的超导信号。但是没有任何人，包括报告这些现象的科学家们，没有任何人能够真正制造出一个室温环境下的超导体——一种符合教科书定义的真正的超导体——可以实现零电阻导电的特性。　　然而超导体还有其它一些特征：一种材料。当其温度低于某一阈值，并经历某种相变时一般就会显示出超导性。而约瑟夫逊效应也是超导性的另一种信号，除此之外还有麦士纳效应，一般也被称为“反磁性”。当暴露于外部磁场中时，超导体会会推开这一磁场，从而阻止该磁场通过材料体内部。而超导体内部的磁场会比外部磁场更弱一些。这一特性让超导体得以悬浮半空，同时在外部磁场中形成可探测到的变化，同时也提供了一种对于超导性的可探测性信号。　　物理学家们此次正是利用了这一特点：他们将经过处理的石墨粉置于变化中的外部磁场，并测量其反磁性特征。结果显示样本的一小部分确实显示出超导性特征，但是这样的比例非常小，大约仅占0.01%。　　这样的比例可是一点都不让人感到振奋。艾斯奎纳兹表示：“这样的量实在太少了，这让我们很难进行进一步的研究。然而这一实验中给出了这样一种理念，那就是任何材料都可能在室温下实现超导，尤其是那些便宜而又容易获取的材料，如石墨和水。这一点具有重要意义。”　　加州大学圣迭戈分校物理学家伊凡·舒尔(Ivan Schuller)表示：“如果你能制造出一种零电阻材料，而且这种材料的原料非常容易获取，制造出来之后也不需要将其用液氮冷却。超导材料可以改变能量的传导量，将列车悬浮半空，还有其它很多很多事情。”它们迅速且高效的导电能力将让远距离无损输电甚至手持式电子设备从中受益。但是很难想象超导体被应用于电网结构之中，因为当下的超导技术还需要在低温下进行，而电网或是你的电脑是不太可能经常浸泡在液氮之中的。而如果石墨粉这样一种便宜而容易获得的材料果真能在室温下实现超导，那么这将彻底革新我们的现有技术。　　舒尔表示：“可以说，这一发现一旦证实，就将是一项重大发现。但问题就在于这究竟是不是真实的。这一点首先需要进行科学的判定。”舒尔认为由于这项发现意义重大，因此它更加需要更多的证据。研究人员目前还尚未能展示出这些样本具备了零电阻的特性，转变温度，甚至是约瑟夫逊效应。这些石墨粉样本所展示出的目前还仅仅是轻微的反磁性而已。　　舒尔表示：“这一现象必须在同样的样本中被重现，然后是从实验室的不同样本之间进行验证，再然后是在不同的实验室中进行验证。科学家们必须相互讨论和争论，以便最终确认这究竟是否真实。这就是科学运作的方式。如此一来，或许会有人得出正确的结论。”　　著名物理学家，美国斯坦福大学荣誉退休教授特雷多·加布雷尔(Theodore Geballe)同意这样的说法，即：当涉及室温超导问题时，仍然存在诸多的不确定性，仍然有很多工作需要去完成。尽管此次石墨粉材料表现出了初步的超导特性，他的意见是“在它们被证实之前，需要进行确认工作。我希望在本次报告之后就会有所突破，但是我对此一点都不感到乐观。”　　事实上，研究人员自己也认为石墨粉室温超导材料的研究还需要更多的证据才能得出结论。艾斯奎纳兹表示：“其它人必须进行相类似的实验并最终证明这一超导现象是确实存在的。这是一项非常精细的实验，信号非常微弱。”在此之后，他本人的研究小组将致力于增加石墨材料中具有超导属性的部分所占比重，并以此实现对其属性性质的分析。他说：“这样一来，如果这些超导材料的性质在室温下表现的足够好，足够稳定，这将是一场革命。我们真的只是刚刚起步。”(晨风)

2012年06月29日 来源： 中国科技网 作者： 常丽君 本报讯在 某些超导体中，运动电子的性质极为奇特。它们好像比真空中的自由电子重1000倍，但同时电子运动却是毫无阻力的。据物理学家组织网近日报道，美国普林斯顿大学领导的一项最新研究显示，产生这种现象是由于“量子纠缠”的过程，该过程决定了晶体中运动电子的质量。这一发现有助于人们理解超导性的成因，并有望在提高电网效率、加快计算速度等方面获得应用。相关论文发表在近日出版的《自然》杂志上。 将电子冷却到超低温形成某种固体物质时，这些极轻的粒子就会增加质量，好像变成了重粒。把它们冷却到接近绝对零度时，这种固体就有了超导性。其中的电子尽管很重，却能毫无阻力地流动，不会浪费任何电能。 研究小组还包括洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）和加州大学欧文分校的科学家，他们利用专门设计的低温扫描隧道显微镜（STM）拍摄晶体中的电子波。晶体经过了处理，表面包含一些原子瑕疵。他们将温度降低到实验需要，观察到了电子波纹，这些波纹围绕着瑕疵之处扩散开来，就像在池塘里投入石头散开的涟漪。 “这是首次获得重电子形成的精确画面。在降低温度时，我们看到晶体中的运动电子演变成了更重的粒子。”领导该研究的普林斯顿大学物理学教授阿里·雅兹达尼说。他们通过直接拍摄的电子波图像，不仅看到了电子质量是怎样增加的，还看到了重电子是由两个纠缠电子构成的复合体。 他们还把实验观察和理论计算数据进行了对比，解释了电子为何会出现这种性质。由于量子纠缠，电子糅合两种截然相反的行为。在晶体中，重电子产生于两个行为相反的电子的纠缠，其中一个被困住绕着一个原子，而另一个在各个原子之间自由地跳跃。 研究人员解释说，量子力学原理控制着微小粒子的行为，形成了量子纠缠，这一过程决定了晶体中运动电子的质量。轻微调整这种纠缠，就能极大地改变材料的性质。而纠缠度是决定重电子形成和进一步冷却时行为表现的关键。调整晶体的成分或结构，就能调整纠缠度和电子重量。如果让电子太重，它们就会被冻成磁化状态，黏在每个原子旁边，以相同的方向自旋。但如果只是轻微调整，让电子获得合适的纠缠数量，这些重电子就会在冷却时变成超导体。“我们的研究证明了，只有当处在‘迟缓’和‘迅速’这两种行为的边界时，才能获得超导性。这是最有利于产生重电子超导性的条件。”雅兹达尼说。 许多磁性材料在它们的成分或晶体结构发生了微妙改变之后，变成了超导体。哈佛大学理论物理学家苏伯·萨奇戴伍说，该实验有助于揭开高温超导的秘密，理解这种磁性和超导性之间的转变，即量子临界点，有助于解释物质为何会具有超导性。（常丽君） 《科技日报》（2012-06-29 二版）

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。