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手机数码看点:科学家在奇异的超导体中发现令人惊讶的量子效应

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由普林斯顿大学研究人员领导的国际团队直接观察到了高温含铁超导体中令人惊讶的量子效应。

超导体无阻力地导电,因此对于长距离输电和许多其他节能应用非常有价值。传统的超导体仅在极低的温度下工作,但是大约十年前发现的某些铁基材料可以在相对较高的温度下超导,并引起了研究人员的注意。

铁基材料中超导的确切形成方式是一个谜,特别是因为铁的磁性似乎与超导的出现相冲突。对非常规材料(如铁基超导体)的更深入了解可能最终导致下一代节能技术的新应用。

研究人员在添加杂质(即钴原子)时探究了铁基超导体的行为,以探索超导电性如何形成和消散。他们的发现使人们对具有60年历史的超导性行为理论有了新的认识。这项研究本周发表在《物理评论快报》上。

普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授,领导该研究小组的M. Zahid Hasan说,添加杂质是了解超导体行为的有用方法。他说:“这就像我们通过扔石头来探测湖中水的波浪行为的方式一样。” “ 超导性质对杂质的反应方式以量子级的细节揭示了它们的秘密。”

一个长期存在的被称为安德森定理的想法预测,尽管添加杂质会导致超导体中出现混乱,但在许多情况下,它不会破坏超导性。该定理于1959年由诺贝尔奖获得者物理学家菲利普·安德森(菲利普·安德森),普林斯顿大学的约瑟夫·亨利物理学名誉教授提出。但是规则总是有例外。

钴似乎是这些例外之一。与理论相反,钴的添加迫使铁基超导体失去其超导能力,并变得像普通的金属,在这种金属中,电带有电阻流动,并浪费其能量作为热量。

到目前为止,还不清楚这是如何发生的。

为了探索这种现象,普林斯顿大学的研究人员使用了一种称为扫描隧道显微镜的技术,该技术能够对单个原子进行成像,以研究由锂,铁和砷制成的铁基超导体。

他们将钴原子形式的非磁性杂质引入超导体,以观察其行为。

研究人员在极低的温度(约460华氏度(400毫开氏度))下测量了大量样品,该温度比外层空间低近十华氏度。在这种条件下,研究人员找到并确定了晶格中的每个钴原子,然后直接在样品的原子局部尺度和整体超导性质上测量了其对超导性的影响。

为此,研究人员在极低的温度下以原子级的分辨率研究了八种不同浓度的30多种晶体。“我们无法保证任何给定的晶体都能为我们提供所需的高质量数据,”该研究的研究生,第一作者之一宋松田说。

从左到右:研究生Nana Shumiya,M。Zahid Hasan教授,博士后研究助理殷佳新和研究生Yuyu Jiang。信用:程子佳

这项广泛实验的结果是,研究小组发现每个钴原子具有有限的局部冲击力,该冲击力使一个或两个原子与杂质的距离消失。但是,随着钴浓度的增加,通过相变进入正常的非超导状态,会发生强有力的系统进化。通过引入更多的钴原子,最终完全破坏了超导性。

超导性是由于两个电子成对形成一个单一的量子态,这种量子态由一种称为波函数的特性描述。这种配对使电子可以通过一种材料进行压缩,而不会遇到普通金属中的典型电阻。散射电子和使电子对破裂所需的最小能量称为“超导能隙”。

当添加钴原子时,可以用两种方式描述散射强度:强(或单一)极限和弱(或博恩)极限。以物理学家马克斯·伯恩(Max Born)的名字命名的,以玻恩为限的散射具有最弱的电势来扰乱对于电子与电子相互作用因而对电子至关重要的电子波功能。

通过取代铁原子,钴原子表现为玻恩限散射体。尽管极限极限散射体具有破坏超导性的相对较弱的潜力,但是当许多散射体结合时,它们会破坏超导性。

研究人员发现,对于砷化锂铁材料,在Born极限处的散射显然能够违反安德森定理,从而导致量子相从超导状态转变为非超导状态。

超导材料可以通过称为隧道光谱的特征来描述,该特征可以描述材料中电子的行为,并充当电子的能量分布曲线。砷化锂铁材料具有所谓的“ S波”间隙,其特征在于超导能隙中的平坦“ U形”底部。完全打开的超导间隙表明超导材料的质量。

令人惊讶的是,钴杂质不仅抑制了超导性,而且随着间隙从U形演变为V形,它们还改变了间隙的性质。超导间隙的形状通常反映了“有序参数”,该参数描述了超导性的性质。这种形状是仅在独特数量的高温超导体中出现的有序参数的特征,并暗示了极不寻常的行为。

通过改变阶数参数(例如,通过改变超导间隙的形状反映在测量结果中)的表观变换只会增加量子难题。

这种演变是不寻常的,并促使研究人员加深了他们的研究。通过将理论计算与磁测量相结合,他们能够确定钴散射的非磁性质。

由于安德森定理指出非磁性杂质对这种类型的超导体几乎没有影响,因此研究人员意识到必须开发另一种理论。

在铁基超导体中,科学家推测,在不同的“费米口袋”中,超导阶数参数的相位会发生符号变化,这是由于电子占据晶体结构的规则而形成的能量数。

哈桑小组的博士后研究员,这项研究的合著者伊利亚·贝洛波尔斯基说:“天真地,要区分传统的超导性和改变符号的超导性,需要对超导阶数参数进行相位敏感的测量,这可能极具挑战性。” “我们实验的一个美丽方面是,通过考虑违反安德森定理的情况,我们可以解决这一要求。”

实际上,研究小组发现,通过在超导的阶跃参数中引入这样的符号变化,他们能够从钴杂质中重现奇数演变。除了这些最初的计算之外,该团队还采用了另外三种最新的理论方法来论证非磁性钴散射体对这种符号改变超导体的影响。

博士后研究助理,该研究的另一共同第一作者尹佳欣说:“三个不同的理论模型都指向相同的解释,这一事实表明这是一个可靠的结论。” 为了解决超导的奥秘,开发了并不总是彼此一致的复杂模型。尹说,在这种情况下,“与模型无关的结果明确地指出,这是一个改变符号的奇异超导体,最初并未被安德森的工作所考虑。”

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