超導體中量子漩渦的神秘“突然死亡”難倒了科學家,違背現有理論 |2024年超導新發現 小葫蘆的宇宙頻道
34 次觀看·2024年1月26日
今天將介紹一項關於超導體的最新研究,該研究發現了一種奇異的超導材料內部量子漲落的神秘“猝死”現象,這一現象違背了已有的理論預測,需要一個全新的理論來解釋它。這一研究可能揭示了超導體的新奧秘,為理解超導性的本質和提高超導性的溫度提供了新的思路。
這一研究是由普林斯頓大學的物理學家吳三峰和王乃椿領導團隊進行的(不得不說,材料科學領域top科學家裏中國人或前中國人居多),他們使用了一種特殊的超導材料,即一層原子厚的半金屬化合物碲化鎢。碲化鎢是一種二維材料,它的結構類似於石墨烯,但是它的原子之間的距離更大,這使得它的電子可以在兩個方向上自由移動,而不是像石墨烯那樣只能在一個方向上移動。這種材料在低溫下具有超導性,但是它的超導機制和性質與常見的超導材料有很大的不同。
超導體是一種令人驚歎的物質
它在低溫下具有零電阻的特性
也就是說
電流可以在其中無阻礙地流動
不會產生任何能量損耗
這種特性爲超導體
在各種領域的應用提供了巨大的潛力
比如能源、交通、醫療、計算等
超導體可以用來製造高效的電纜
電機、發電機、變壓器、磁懸浮列車
核磁共振成像儀、粒子加速器等設備
然而超導體的原理和機制並不完全清楚
科學家們一直在探索超導體的奧祕
希望能夠實現室溫下的超導性
從而爲人類帶來更多的福祉
今天將介紹一項關於超導體的最新研究
該研究發現了一種
奇異的超導材料內部量子
漲落的神祕猝死現象
這一現象違背了已有的理論預測
需要一個全新的理論來解釋它
這一研究可能揭示了超導體的新奧祕
爲理解超導性的本質和提高超導性的溫度
提供了新的思路
這一研究是由普林斯頓大學的物理學家
吳三豐和王乃春領導團隊進行的
他們使用了一種特殊的超導材料
極一層原子厚的半金屬化合物
蒂化鎢
蒂化鎢是一種二維材料
它的結構類似於石墨烯
但是它的原子之間的距離更大
這使得它的電子可以在兩個方向上自由移動
而不是像石墨烯那樣只能在一個方向上移動
這種材料在低溫下具有超導性
但是它的超導機制和性質
與常見的超導材料有很大的不同
超導性是一種量子現象
它發生在一種材料的原子排列發生變化時
導致材料內的電子
以所謂的庫珀對的形式結合起來
形成一種無阻的超流體
庫珀對是由兩個相反的自旋的電子組成的
它們之間通過晶格振動產生的生子交換吸引力
而結合在一起
庫珀對的形成需要一定的溫度
一般低於某個臨界溫度
這個溫度通常很低
比如金屬銅的臨界溫度是零下234攝氏度
在臨界溫度以下
庫珀對會在材料中形成一個相干的量子態
即波色愛因斯坦凝聚態
這個態具有超流性
也就是說它可以在沒有粘性和阻力的情況下流動
然而在地化物這種二維材料中
庫珀對的形成和維持並不容易
因爲它們會受到量子掌握的影響
量子掌握是指在量子系統中物理量會隨機的變化
而不是保持恆定
在二維超導體中
量子掌握主要是由於量子渦旋
即磁場的微小旋渦
在一定的溫度和電壓下通過材料擴散
並破壞其超導能力而發生的
量子渦旋是一種拓撲缺陷
它是由於超流體中的局部旋轉而產生的
它的存在使得超流體的流速不再爲零
而是呈現出渦旋狀的分佈
量子渦旋的核心是一個起點
其流速趨於無窮大
溫度趨於絕對零度
密度趨於零的點
量子渦旋的大小和形狀取決於超流體的相干長度
及庫破隊的平均距離
量子渦旋可以相互作用
形成複雜的渦旋網絡
從而導致超流體的湍流現象
在地化物這種二維超導體中
量子渦旋的行爲與已有的理論預測不符
這讓科學家們感到困惑
爲了觀察量子渦旋的運動
研究人員將地化物晶體剝離到單原子層
然後將其超冷卻到近50毫開爾文
這樣他們就得到了一個強絕原體
它的電子被限制在無法導電的流動中
但是當他們添加了額外的電子
並施加了電壓時
他們得到了一個非凡的結果
這種材料轉變成了超導體
只有微小的榨壓
就可以將材料從絕原體轉變爲超導體
該研究的第一作者
普林斯頓大學物理學博士後宋天成在聲明中說
這真是一個了不起的效果
研究人員利用一種稱爲掃描隧道顯微鏡的儀器
測量了施加電壓產生的渦旋
這種儀器可以在原子尺度上
探測材料的表面形貌和電子密度
從而顯示出量子渦旋的位置和數量
研究人員發現
當他們改變電壓和溫度時
量子渦旋的行爲出現了一些奇怪的現象
過去的實驗表明
這些渦旋在高溫度和強磁場下會突然消失
但實驗發現了相反的情況
在更高的溫度和更強的磁場下
渦旋在材料的絕原相中持續了很長時間
此外
當一種超導材料被冷卻到接近絕對零度
並且電子密度被調節到相變的刀刃邊緣時
它應該達到一個稱爲量子臨界點的階段
由於沒有溫度來驅動相變
材料應該根據隨機渦旋掌握的變化
而在絕原和超導相之間翻轉
但是當實驗者將他們的材料冷卻到接近絕對零度時
他們觀察到
量子漩渦並沒有像預期的那樣
在量子臨界點附近弱弱地持續存在
而是突然消失了
我們預期在非超導一側的臨界電子密度以下
會看到強烈的漲落
無說
然而
我們發現的是
渦旋信號在臨界電子密度被穿越的那一刻突然消失了
這讓我們很震驚
我們無法解釋這一觀察結果
漲落的猝死
換句話說
我們發現了一種新型的量子臨界點
但我們不理解它
合著者
普林斯頓大學物理學教授王乃春在聲明中說
研究人員說
要描述這一令人震驚的發現
他們需要開發一個全新的理論
並在實驗室中進行測試
如果他們成功了
他們將爲幫助我們理解超導材料的奇異行爲
邁出一個小而重要的一步
這一研究引起了物理學界的廣泛關注
許多專家和學者對這一發現表示了讚賞和好奇
美國國家標準與技術研究院的物理學家約瑟夫·斯塔奇斯說
這是一項非常有趣和重要的工作
它展示了二維超導體中量子漲落的新奇行爲
這些行爲與我們所知的任何理論都不一致
斯塔奇斯還指出
這一發現可能與一種稱爲奇異金屬的新型量子像有關
這種像在一些高溫超導體中也被觀察到
它的電阻隨溫度的變化呈現出非常規的規律
可是也有一些物理學家對這一發現提出了質疑
加州大學伯克利分校的物理學家阿里亞茲·戴裏說
我認爲這篇文章的結論是錯誤的
他沒有考慮到一些重要的實驗因素
比如樣品的不均勻性和隧道電流的影響
亞茲·戴裏還表示
他和他的同事已經對地化物進行了類似的實驗
但沒有發現量子渦旋的猝死現象
而是發現了與已有理論一致的結果
這樣
關於地化物中量子渦旋的神祕現象
就出現了兩種截然不同的觀點
一種認爲它是一種新的量子相變
另一種認爲它是一種實驗誤差
這種爭論反映了超導性研究的困難和挑戰
也只有通過更多的實驗和理論的對比和驗證
才能揭開此次超導性現象的真相

