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研究人员在没有冷却的情况下展示超导性

em新的研究细节科学家如何使用红外激光脉冲简要修改高温超导体的结构,在室温下消除其电阻。 / em

超导性是一个显着的现象:超导体可以传输电流而没有任何阻力,因此没有任何损失。它已经在一些小生境中使用,例如用于核自旋层析成像或粒子加速器的磁体。但是,为此目的,材料必须冷却到非常低的温度。但在过去的一年里,一个实验提供了一些惊喜。借助短波红外激光脉冲,研究人员首次成功地在室温下制备了超导陶瓷 - 尽管只有百万分之几微秒。一个国际团队,来自马克斯普朗克汉堡物质结构和动力学研究所的物理学家作出了重要贡献,现在已经能够在“自然”杂志上提出对影响的可能解释:科学家们认为,激光脉冲会导致晶格中的单个原子短暂地移动并因此增强超导性。这些发现可以帮助开发在更高温度下变成超导的材料,从而为新的应用带来利益。

一开始,只有少数金属在零下273摄氏度时的绝对零度以上的温度下才知道超导。然后,在20世纪80年代,物理学家发现了一个基于陶瓷材料的新课程。它们已经在大约零下200摄氏度的温度下导电而没有损失,因此被称为高温超导体。其中一种陶瓷是复合钇钡铜氧化物(YBCO)。它是超导电缆,电机和发电机等技术应用最有前途的材料之一。

YBCO晶体具有特殊的结构:氧化铜薄双层交替与较厚的中间层,其中包含钡以及铜和氧。超导电性起​​源于薄的双层二氧化铜。这就是电子可以结合起来形成所谓的Cooper对的地方。这些对可以在不同的层之间“隧道”,这意味着它们可以像鬼魂穿过墙壁一样穿过这些层,比喻地说 - 典型的量子效应。只有在“临界温度”以下,晶体才会变成超导体,因为只有这样,Cooper对不仅会在双层内隧道,而且还会通过较厚的层到下一个双层隧道。在临界温度以上,双层之间的这种耦合缺失,并且材料变成导电性差的金属。

这一结果有助于材料科学家开发新型超导体

2013年,与马克斯普朗克研究员Andrea Cavalleri合作的国际团队发现,当YBCO被红外激光脉冲照射时,它在室温下会短暂地变成超导体。激光明显改变了晶体中双层之间的耦合。然而,确切的机制仍不清楚 - 直到物理学家能够在美国的LCLS实验中解决这个谜团,这是世界上最强大的X射线激光器。 “我们开始时再次发射红外脉冲进入晶体,这激发了某些原子的振荡,”Max Planck物理学家Roman Mankowsky解释说,他是目前Nature研究的主要作者。 “不久之后,我们用一个短的X射线脉冲跟踪它,以测量激发晶体的精确晶体结构。”

结果:红外脉冲不仅激发原子振荡,而且还在晶体中移动了它们的位置。这简单地使得二氧化铜双层更厚 - 两微米或百分之一原子直径 - 它们之间的层变薄了相同的量。这又增加了双层之间的量子耦合,使得晶体在室温下变成超导几皮秒。

一方面,新的结果有助于完善高温超导体仍不完善的理论。 “另一方面,它可以帮助材料科学家开发具有更高临界温度的新型超导体,”Mankowsky说。 “最终实现在室温下运行并且根本不需要冷却的超导体的梦想。”到目前为止,超导磁体,电机和电缆必须用液氮或氦气冷却到远低于零的温度。如果这种复杂的冷却不再需要,这将意味着这项技术的突破。

出版物:R.Mankowsky等,“Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5,”Nature 516,71-73(2014年12月4日); DOI:10.1038 / nature13875

来源:马克斯普朗克研究所

图片:JörgHarms /物理结构与动力学MPI