超导现象是20世纪的重大科学发现,当某些材料在温度降低到某一临界温度时电阻突然消失,具备这种特性的材料称为超导体。高温超导体并不是大多数人认为的几百几千度的高温,只是相对原来超导所需的超低温高出许多,通常是指在液氮温度(77 K)以上超导的材料。 高温超导体可用于制造超高效电源线、医疗核磁共振成像设备、粒子加速器和其他设备等。破解这些材料的原理,或许将能在室温实现高温超导,为电子设备(包括笔记本电脑和手机等)带来革命性的提升。 前不久,《自然科学》杂志刊登美国加州理工学院的研究人员的最新进展。将这些材料冷却但还未达临界温度之前的状态称为“赝隙 ”(pseudo gap),研究人员证实这一过渡状态下的材料有独特的状态,其性质与超导体性质大为不同。 强自旋轨道耦合化合物Sr2IrO4晶体中多极分布的空间分布 赝隙状态与高温超导 当物质从一个状态转变到另一个状态,例如水冻结成冰时,材料粒子之间的排序方式会发生变化。物理学家们曾探测到赝隙状态中电子出现某种排序的迹象。但是电子到底如何排序,以及这种排序是否构成了一种新的物质状态,仍尚未可知。 “所有的高温超导体都具备一种特殊性质:在进入超导状态之前,它们都会先进入赝隙状态。赝隙状态下的物质性质和超导同样神秘”。加州理工大学该项研究的首席研究员David Hsieh说,“我们已经发现,在赝隙状态下,物质内部电子进入一个非常不寻常的排序模式,开奖,并且打破了空间的对称性。这一发现成为我们探索物质赝隙状态的重要线索,并且让我们对高温超导体的工作原理有了新的理解。” David Hsieh通过将激光束射向仪器测量来对电子活动进行测量 自1911年物理学家首次发现超导现象以来,为了达到材料的临界温度,需要使用液氦作为冷却剂。然而苦于液氦的稀少及其价格高昂,物理学家一直在寻找可以在更高温度下成为超导体的材料。 1986年至今发现的所谓的高温超导体,其工作环境已经高达138(零下135摄氏度)开氏度,因此可以使用比液氦更便宜的液氮冷却。尽管超导领域已经获得了三个诺贝尔奖,但是物理学家依然不了解高温超导的机制。 超导电子的共舞 材料变成超导体的过程就是其内部电子克服其斥力配对的过程。这些配对可以在极低环境下发生,并且允许电子和它们所携带的电流不受阻碍地定向移动。在常规超导体中,电子配对由超导材料晶格中的自然振动引起,其作用就如同胶水将电子对束缚在一起。 但是在高温超导体材料中,这种形式的“胶水”并不足以强到可以将电子对束缚在一起,研究人员认为,直播,赝隙状态,以及电子在该状态下如何排列,都是理解高温超导体材料的关键性因素。
为了研究赝隙状态下电子是如何排列的,Hsieh和他的团队发明了一种新的基于激光的方法,称为非线性光学旋转各向异性法。在该方法中,当激光射向超导材料(钇钡铜氧化物)时,通过对比分析反射回来的经历半波损失后的波场信息,进而揭示材料晶体中电子排列的对称性。 打破的对称性带来科学新思路 物质的内部电子在不同的相下具有不同的对称结构。例如,当水变成冰时,物理学家就认为其原有的对称性已经被打破。 Hsieh解释道:“当水处于液体状态时,水分子(H2O)的分布是随机的,如果你在巨大的水池中游泳,那么无论你在哪里,你周围的环境看起来都是一样的。冰中的水分子会形成规则的周期性网络,所以你想象一下自己被淹没在无限的冰中,那么你的周围环境将会看起来并不一样,这取决于你坐在一个H原子上还是O原子上。因此,我们说,由水到冰的过程中,其内部空间的对称性会被打破”。 隐秩序电子的空间分布 (责任编辑:本港台直播) |