新浪科技訊 北京時間12月11日消息，據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報道,，超導(dǎo)性是一種神奇的性質(zhì)：超導(dǎo)體可以傳輸電流而不會產(chǎn)生任何電阻,，于是也就不 會有電力損耗,。在某些尖端領(lǐng)域，這種技術(shù)已經(jīng)開始得到應(yīng)用,，比如在核自旋斷層設(shè) 備或粒子加速器中充當(dāng)磁體,。然而，要想獲得超導(dǎo)性,，超導(dǎo)材料必須被冷卻到非常低的溫度才可以,。但就在去年，一項實驗在這方面取得了突破,。
借助短波紅外激光脈沖的幫助,，研究人員首次成功地制成室溫下的陶瓷超導(dǎo)體——盡管其維持的時間僅有數(shù)百萬分之幾微秒。一個由德國馬克斯普朗克物 質(zhì)結(jié)構(gòu)與動力 學(xué)研究所參與的國際小組近期在《自然》雜志上報道了他們的此項工作,。研究組相信這一現(xiàn)象背后的原理是：激光脈沖導(dǎo)致晶體晶格中的單個原子發(fā)生短暫變動,，從 而導(dǎo)致超導(dǎo)性的產(chǎn)生。這項成果將有望幫助現(xiàn)有低溫超導(dǎo)材料實現(xiàn)在高得多的溫度條件下實現(xiàn)超導(dǎo)性,，因此擁有廣泛應(yīng)用前景,。
起初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾類金屬在溫度僅稍高于絕對零度的超低溫環(huán)境下顯示超導(dǎo)性,。之后到了20世紀(jì)80年代,，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新的陶瓷材 料，其可以在零下200攝氏度左右的環(huán)境下實現(xiàn)超導(dǎo)性,，也因此被稱作“高溫超導(dǎo)體”,。這些陶瓷材料其中有一種是釔鋇銅氧化物(YBCO)。這是一種最有前 景的超導(dǎo)材料,，未來或可應(yīng)用于超導(dǎo)電纜,，馬達以及發(fā)電機等設(shè)備。
釔鋇銅氧化物的晶體具有一種非常特殊的結(jié)構(gòu)：雙層氧化銅分子層與一層稍厚一些的鋇,、銅,、氧原子中間層交互疊加構(gòu)成晶體。這種材料的超導(dǎo)性便來自 其中的雙層氧化銅分子層,。電子可以在這里結(jié)合形成所謂“庫珀對”(Cooper pairs),。 這種電子對可以在不同層之間穿越,，這就意味著這些電子對能像鬼魂一樣穿越層面不受阻擋——這是一種典型的量子現(xiàn)象。然而這種晶體結(jié)構(gòu)也只有在低于“臨界溫 度”的情況下才會顯示超導(dǎo)性,，因為只有在這樣的條件下電子才會形成庫珀對,，并且不僅僅在雙層氧化銅分子層內(nèi)穿越，而且還能穿越更厚的中間層,。而當(dāng)溫度高于 臨界溫度時,，這種電子的庫珀對便消失了，這種材料也就變回一種導(dǎo)電性很差的金屬合成材料,。
有助研發(fā)新型超導(dǎo)材料
2013年,， 一個馬普研究所參與的國際研究組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用紅外激光脈沖照射釔鋇銅氧化物材料時,，它會在室溫條件下短暫地顯示出超導(dǎo)性,。很顯然激光脈沖改變了這種材料晶 體結(jié)構(gòu)中雙層氧化銅分子的耦合性。然而其中更確切的原因仍然不甚明了——直到研究組有機會前往美國,，利用斯坦福大學(xué)的直線加速器相干光源(LCLS)—— 世界上最強大的X射線激光進行分析之后才最終揭開謎底,。德國馬普研究所物理學(xué)家羅曼·曼可威斯基(Roman Mankowsky)是這篇《自然》雜志論 文的第一作者。他說：“首先,，我們再次向材料照射紅外脈沖激光,，我們看到其中一些原子開始發(fā)生振動。很短時間之后,，我們緊接著使用短X射線脈沖來測量被激 發(fā)的晶體精確的晶格結(jié)構(gòu),。”
這樣做得到的結(jié)果是發(fā)現(xiàn)，紅外脈沖不僅僅激發(fā)并導(dǎo)致原子振動,，實際上還讓原子發(fā)生了遷移,，離開了原先的位置。這就在短時間內(nèi)造成氧化銅雙分子層 厚度增加了2個皮米(1皮米=1萬億分之一米),，或一個原子直徑的百分之一左右,，而它們之間中間層的厚度則相應(yīng)發(fā)生減薄。這一變化增強了兩個雙層之間的耦 合效應(yīng),，從而導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)在室溫下短暫地顯示出超導(dǎo)性,。
而在另一方面,，這項最新研究成果也幫助改進了目前還尚不完善的高溫超導(dǎo)體理論,。曼 可威斯基表示：“這項成果將幫助材料科學(xué)家們研發(fā)具有更高臨界溫度的超導(dǎo)材料。并最終實現(xiàn)可在室溫下應(yīng)用,，完全無需冷卻的超導(dǎo)材料的夢想,。”到目前為止， 超導(dǎo)磁體,，馬達或電機在應(yīng)用時都必須使用液氮或液氦進行冷卻,。如果這種復(fù)雜的冷卻過程不再需要,，這將意味著這一領(lǐng)域的一項關(guān)鍵性技術(shù)突破。