好运1分彩《环球科学》:高温超导 “铁”的飞跃(图)

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  不到在接近绝对零度的低温下,常规超导体才可都可不还里能 量损耗地传导电流。20世纪200年代发现的铜氧化物超导体,彻底打破了长久以来超导转变温度的,有刚刚咋样将铜氧化物超导体应用到工业上仍然是一项极富挑战性的工作。

  铜氧化物超导体在超导材料中独一无二的地位老要 保持到2008年,很多年物理学家发现铁基超导体也可都可不还里能 在远高于绝对零度的温度进入超导态。

  上世纪200年代,科学家发现了铜氧化物可都可不还里能 实现高温超导。但从那刚刚,老要 也不到新的高温超导体出显。直到去年,铁基材料成为超导家族的第五个。它的发现重新点燃了物理学家的高温超导之梦,或许它还将有有助于于破解高温超导机制很多老要 困扰学界的问題。

  2006年,日本东京工业大学细野秀雄(HideoHosono)领导的研究小组进行了一项工作。起初,研究人员并全部不会 为了寻找超导材料,有刚刚希望合成有一种能用于平板显示器的新型透明半导体。然而,当研究人员对亲戚朋友 新合成的物质——有一种含晒 镧、氧、铁、磷的新化合物——进行物质检测时,发现该材料在4K(约-269℃,参见环球科学小词典)以下传导电流时电阻为零;也有刚刚说,它超导了。

  其实4K远低于当前实验室能实现的最高超导转变温度138K,与室温(约200K)很多超导终极目标的差距就更不不说了,但对于研究者来说,发现有一种新超导体就好比车手拿到了一部新式赛车。车手想知道这部赛车到底可都可不还里能 开多快;而物理学家想知道,在很多新超导家族中可都可不还里能 找到转变温度更高的超导体。机会冷却系统建设错综复杂、占地庞大,还须耗费巨资,超导体在工业上的应用大大受限。有刚刚,超导转变温度每提高很多,全部不会 有助于改善现有系统的不足,使新项目在技术上和经济上都更具可行性。机会抛开传统低温超导体必备的液氦冷却系统,就不再有花费不足和设备错综复杂等种种麻烦,工程师就可都可不还里能 把都可不还里能无损耗传导大电流的电缆以及小型强磁体应用到磁共振成像、磁悬浮列车、粒子加速器及很多科学设想中。

  研究小组现在结速尝试新发现的化合物,即用血块很多元素取代化合物中已有的元素,希望能提高超导转变温度。亲戚朋友 用氟取代一次要氧原子,将超导温度提到了7K。然后,研究人员把磷元素全部替换为砷,又使超导温度提高到26K。很多重大发现在2008年2月底报道出来,立即引起全世界物理学家的关注,进而引发了一场对铁基超导体的研究热潮。同年3月底,几个中国研究小组合成了超导转变温度超过40K的超导体。一个 月后,最高超导转变温度就已达到56K。

  尽管铁基超导体的研究进展相当快,但仍不足以挑战20年前由铜氧化物(copperoxide或cuprate)超导体创造的最高超导温度记录,不过物理学家仍难以兴奋之情。亲戚朋友 认为,该体系的超导转变最高温度还大有潜力可挖;机会铜氧化物质地很脆,制作用在电缆或磁体中的长导线时须要更错综复杂的技术工艺,而铁基材料在工业中的应用或许容易很多。

  超导体里居然含晒 铁元素,很多点非常罕见。铁原子具有强磁性,而磁性通常会超导电性。事实上,对超导体的界定除了零电阻,还有另外根小绳子 ——具备全部抗磁性,即被屏蔽在超导体之外,而不到穿透其组织组织结构。当传输传输速率大到足以进入超导体时,超导电性就会被。铁基超导体的超导电性为很多不到被组织组织结构铁原子的磁性,这还是一个 未解之谜。

  铁基超导体最吸引人之处,或许在于它让高温超导体家族有了新,铜氧化物不再孤独。研究者机会被铜氧化物困扰了20多年,始终不到找到一个 理论能解释它的所有性质,尤其是超导转变温度为很多不到之高。现在,研究者或许可都可不还里能 比较铜氧化物和铁基材料这有一种高温超导体,找到关键线索,最终解开高温超导很多未解之谜。

  铁基材料和铜氧化物最大的类式之占据 于亲戚朋友 全部不会 层状底部形态,但很多底部形态是全部不会 高温超导的关键因素还有待证明。

  机会铁基材料和铜氧化物这两类超导体在很多方面占据 类式性,研究人员希望通过研究铁基超导体找到线索,进而探寻铜氧化物的超导机制。这有一种材料的超导转变温度都远远高于很多所有已知超导体。它们全部不会 人及的最佳浓度,即到某一浓度时,该体系的超导转变温度可都可不还里能 达到一个 极大值,在此温度以下该材料进入超导态,很多转变温度也被称为临界温度(criticaltemperature)。而欠和过样品的超导转变温度都低于最佳样品,当浓度逐渐远离最佳浓度时,超导转变温度逐渐降到绝对零度。换句话说,机会样品的浓度太低或太高,它全部不会 会超导(参见第21页插图)。

  当然,这有一种材料最大的类式性还在于底部形态,铜氧化物和铁基超导体都由不同原子层相互交错堆积而成。铜氧化物的主要底部形态是铜氧(CuO2)层,相应地,铁基化合物全部不会 由铁和磷族元素构成的原子层,在很多层中,铁元素和元素周期表中氮元素那一列的元素,如磷、砷、锑等结合在一起。细野秀雄教授的研究组发现的26K超导体,有刚刚由镧氧(LaO)层和铁砷(FeAs)层交错构成。

  机会把这有一种超导体的晶体底部形态比作三明治,铜氧层和铁砷层有刚刚夹在三明治里的肉。物理学家认为超导电性就源于很多夹心层。两边的“面包片”仅仅为夹心层提供额外的电子,或是从夹心层移走很多电子。往镧氧铁砷(LaOFeAs)了氟刚刚,氟就会取代次要氧原子,机会每个氟原子比此前的氧原子多出一个 电子,很多额外电子就会转移到铁砷层,进而改变它的电学性质。

  沿垂直于层状面的方向俯视,铁砷层的原子仿佛被置于一个 纳米尺度的棋盘中;每个铁原子占据 一个 黑方格,砷原子占据 一个 白方格。铜氧层的请况与此类式,不同之占据 于,棋盘上不到一半的黑方格被铜原子占据 。每个铜氧层基本上全部不会 平的,即所有原子共面。与之相反,铁砷层中的砷原子占据 铁原子的斜顶端和斜下方,每个铁原子周围还有一个 砷原子,构成一个 四面体,砷原子占据 四面体的顶点。究竟有一种材料底部形态特点中的相同点更重要,还是不同点更重要,还有待考证。

  铜氧化物超导体具有层状底部形态,很多特点使得它对沿层面传导和垂直于层面传导的超导电流有不同的响应。铜氧化物超导体中,对超导电流的影响取决于方向。当方向平行于铜氧面时,超导体可都可不还里能 承受很大的且依然保持超导请况,而当垂直于铜氧面时,一个 较小的就可都可不还里能 超导电性。很多性质在实际应用含晒 点痛 要,机会很多超导体都用于产生强。铜氧化物的很多底部形态也被认为是根小绳子 潜在线索,或许都可不还里能用来解释高温超导的原理。

  理论工作者非常看重很多线年时间,主要专注于发展一个 理论,来解释超导电性咋样在一个 铜氧层中产生。亲戚朋友 认为铜氧化物的二维底部形态是一个 很关键的因素。从理论来看,很多观点是合理的,数学和物理中可都可不还里能 找到很多另一个 的例子:一个 二维体系的独底部形态质或问題到了三维请况就不再占据 ,机会变得相当错综复杂。在铜氧化物超导体很多具体的例子中,血块实验结果显示,铜氧层在整个化合物中的地位非常特殊。

  对铁基超导体最早的很多研究表明它似乎全部不会 二维底部形态,但在2008年7月底,中国科学院王楠林(Nan-LinWang)研究员领导的研究组,以及美国爱荷华州立大学的保罗C坎菲尔德(PaulC.Canfield)小组与洛斯阿拉莫斯国家试验室(Los AlamosNationalLaboratory)研究人员的合作团队,分别地发现铁基超导体对不同方向和强有类式响应。也有刚刚说,亲戚朋友 研究的很多超导转变温度可达38K的钾钡铁砷材料似乎是一个 具有三维底部形态的超导体。

  在荷兰莱顿大学的理论物理学家扬扎宁(JanZaanen)看来,机会铜氧化物和铁基超导体都含晒 着同一个 “高温超导的奥秘”,不到以上一个 研究小组的实验结果预示着“二维底部形态似乎是个干扰因素,将理论物理学家引向了错误的方向”。(更多内容,请阅读《环球科学》2009年第9期)(责任编辑:赵婷)香港吉野门

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