科學家首次成功地製成室溫下陶瓷超導體

新浪科技訊 北京時間12月11日消息，據物理學家組織網站報導，超導性是一種神奇的性質：超導體可以傳輸電流而不會生任何電阻，於是也就不會有電力損耗。在某些尖端領域，這種技術已經開始得到應用，比如在核自旋斷層設 備或粒子加速器中充當磁體。然而，要想獲得超導性，超導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衝的幫助，研究人員首次成功地製成室溫下的陶瓷超導體——盡管其維持的時間僅有數百萬分之幾微秒。一個由德國馬克斯普朗克物質結構與動力 學研究所參與的國際小組近期在《自然》雜誌上報導了他們的此項工作。研究組相信這一現象背后的原理是：激光脈衝導致晶體晶格中的單個原子發生短暫變動，從 而導致超導性的生。這項成果將有望幫助現有低溫超導材料實現在高得多的溫度條件下實現超導性，因此擁有廣泛應用前景。

起初，科學家們發現少數幾類金屬在溫度僅稍高於對零度的超低溫環境下顯示超導性。之后到了20世紀80年代，物理學家們發現了一種新的陶瓷材料，其可以在零下200攝氏度左右的環境下實現超導性，也因此被稱作“高溫超導體”。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材料，未來或可應用於超導電纜，馬達以及發電機等設備。

釔鋇銅氧化物的晶體具有一種非常特殊的結構：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成晶體。這種材料的超導性便來自其中的雙層氧化銅分子層。電子可以在這裏結合形成所謂“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象。然而這種晶體結構也只有在低於“臨界溫 度”的情況下才會顯示超導性，因為只有在這樣的條件下電子才會形成庫珀對，並且不僅僅在雙層氧化銅分子層內穿越，而且還能穿越更厚的中間層。而當溫度高於 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電性很差的金屬合成材料。

有助研發新型超導材料

2013年， 一個馬普研究所參與的國際研究組發現，當使用紅外激光脈衝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性。很顯然激光脈衝改變了這種材料晶 體結構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家羅曼·曼可威斯基(Roman Mankowsky)是這篇《自然》雜誌論文的第一作者。他：“首先，我們再次向材料照射紅外脈衝激光，我們看到其中一些原子開始發生振動。很短時間之后，我們緊接使用短X射線脈衝來測量被激發的晶體精確的晶格結構。”

這樣做得到的結果是發現，紅外脈衝不僅僅激發並導致原子振動，實際上還讓原子發生了遷移，離開了原先的位置。這就在短時間內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發生減薄。這一變化增強了兩個雙層之間的耦合效應，從而導致晶體結構在室溫下短暫地顯示出超導性。

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體理論。曼 可威斯基表示：“這項成果將幫助材料科學家們研發具有更高臨界溫度的超導材料。並最終實現可在室溫下應用，完全無需冷卻的超導材料的夢想。”到目前為止， 超導磁體，馬達或電機在應用時都必須使用液氮或液氦進行冷卻。如果這種複雜的冷卻過程不再需要，這將意味這一領域的一項關鍵性技術突破。(晨風)