pk10软件《环球科学》:高温超导 “铁”的飞跃(图)

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  只能在接近绝对零度的低温下,常规超导体才可不都要量损耗地传导电流。20世纪30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,后后 怎么还后能 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经常保持到308年,你这个年物理学家发现铁基超导体也可不都要在远高于绝对零度的温度进入超导态。

  上世纪30年代,科学家发现了铜氧化物可不都要实现高温超导。但从那后后 ,经常也没有新的高温超导体再次老出。直到去年,铁基材料成为超导家族的第3个。它的发现重新点燃了物理学家的高温超导之梦,或许它还将促进破解高温超导机制你这个经常困扰学界的什么的什么的问题。

  306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,研究人员并完整篇 都是为了寻找超导材料,后后 希望合成两种能用于平板显示器的新型透明半导体。然而,当研究人员对当我们 歌词 新合成的物质——两种暗含镧、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;也后后 说,它超导了。

  确实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30K)你这个超导终极目标的差距就更暂且了,但对于研究者来说,发现两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不都要开多快;而物理学家想知道,在你这个新超导家族中可不都要找到转变温度更高的超导体。肯能冷却系统建设繁杂、占地庞大,还须耗费巨资,超导体在工业上的应用大大受限。后后 ,超导转变温度每提高后后 ,完整篇 都是促进改善现有系统的过高 ,使新项目在技术上和经济上都更具可行性。肯能抛开传统低温超导体必备的液氦冷却系统,就不再有花费过高 和设备繁杂等种种麻烦,工程师就可不都要把还后能 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、粒子加速器及后后 科学设想中。

  研究小组后后刚开始尝试新发现的化合物,即用大量后后 元素取代化合物中已有的元素,希望能提高超导转变温度。当我们 歌词 用氟取代一累积氧原子,将超导温度提到了7K。后后 ,研究人员把磷元素完整篇 替换为砷,又使超导温度提高到26K。你这个重大发现在308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,十几次 中国研究小组合成了超导转变温度超过40K的超导体。另3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,但仍过高 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。当我们 歌词 认为,该体系的超导转变最高温度还大有潜力可挖;肯能铜氧化物质地很脆,制作用在电缆或磁体中的长导线时都要更繁杂的技术工艺,而铁基材料在工业中的应用或许容易后后 。

  超导体里你以为暗含铁元素,这后后 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,还有另外一根绳子 ——具备完整篇 抗磁性,即被屏蔽在超导体之外,而只能穿透其外部。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你这个没有被外部铁原子的磁性,这还是另3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。研究者肯能被铜氧化物困扰了20多年,始终没有找到另3个理论能解释它的所有性质,尤其是超导转变温度为你这个没有之高。现在,研究者或许可不都要比较铜氧化物和铁基材料这两种高温超导体,找到关键线索,最终解开高温超导你这个未解之谜。

  铁基材料和铜氧化物最大的相似于之存在于当我们 歌词 完整篇 都是层状特性,但你这个特性是完整篇 都是高温超导的关键因素还有待证明。

  肯能铁基材料和铜氧化物这两类超导体在后后 有方面存在相似于性,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。这两种材料的超导转变温度都远远高于后后 所有已知超导体。它们完整篇 都是其他人 所有的最佳浓度,即到某一浓度时,该体系的超导转变温度可不都要达到另3个极大值,在此温度以下该材料进入超导态,你这个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,肯能样品的浓度太低或太高,它完整篇 都是会超导(参见第21页插图)。

  当然,这两种材料最大的相似于性还在于特性,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。铜氧化物的主要特性是铜氧(CuO2)层,相应地,铁基化合物完整篇 都是由铁和磷族元素构成的原子层,在你这个层中,铁元素和元素周期表中氮元素那一列的元素,如磷、砷、锑等结合在一并。细野秀雄教授的研究组发现的26K超导体,后后 由镧氧(LaO)层和铁砷(FeAs)层交错构成。

  肯能把这两种超导体的晶体特性比作三明治,铜氧层和铁砷层后后 夹在三明治里的肉。物理学家认为超导电性就源于你这个夹心层。两边的“面包片”仅仅为夹心层提供额外的电子,或是从夹心层移走后后 电子。往镧氧铁砷(LaOFeAs)了氟后后 ,氟就会取代累积氧原子,肯能每个氟原子比此前的氧原子多出另3个电子,你这个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另3个纳米尺度的棋盘中;每个铁原子存在另3个黑方格,砷原子存在另3个白方格。铜氧层的情形与此相似于,不同之存在于,棋盘上只能一半的黑方格被铜原子存在。每个铜氧层基本上完整篇 都是平的,即所有原子共面。与之相反,铁砷层中的砷原子存在铁原子的斜后边和斜下方,每个铁原子周围有另3个砷原子,构成另3个四面体,砷原子存在四面体的顶点。究竟两种材料特性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特性,你这个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,超导体可不都要承受很大的且依然保持超导情形,而当垂直于铜氧面时,另3个较小的就可不都要超导电性。你这个性质在实际应用中怪怪的要,肯能后后 有超导体都用于产生强。铜氧化物的你这个特性也被认为是一根绳子 潜在线索,或许还后能 用来解释高温超导的原理。

  理论工作者非常看重你这个线年时间,主要专注于发展另3个理论,来解释超导电性怎么还后能 在另3个铜氧层中产生。当我们 歌词 认为铜氧化物的二维特性是另3个很关键的因素。从理论来看,你这个观点是合理的,数学和物理中可不都要找到后后 有曾经的例子:另3个二维体系的独特性质或什么的什么的问题到了三维情形就不再存在,肯能变得相当繁杂。在铜氧化物超导体你这个具体的例子中,大量实验结果显示,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后后 研究表明它似乎完整篇 都是二维特性,但在308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)研究人员的合作方式者团队,分别地发现铁基超导体对不同方向和强有相似于响应。也后后 说,当我们 歌词 研究的你这个超导转变温度可达38K的钾钡铁砷材料似乎是另3个具有三维特性的超导体。

  在荷兰莱顿大学的理论物理学家扬扎宁(JanZaanen)看来,肯能铜氧化物和铁基超导体都暗含着同另3个“高温超导的奥秘”,没有以上另3个研究小组的实验结果预示着“二维特性似乎是个干扰因素,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》309年第9期)(责任编辑:赵婷)香港吉野门

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