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超导体的新突破,离室温超导又近了一步

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  寻找一种能在零下数百度的极端条件下工作的超导体是一种革命性的突破。但开发“室温”超导体是一项科学尚未实现的壮举。然而,中佛罗里达大学的一名研究人员正在努力使这一目标更接近实现,他的一些最新研究成果最近发表在《通信物理》杂志上。

  在这项研究中,研究员岛康幸和他的合著者展示了他们可以更近距离地观察“奇怪”金属中发生了什么。

  这些“奇怪”金属是在电阻中表现出不寻常温度行为的特殊材料。这种“奇怪的”金属行为在许多不处于超导状态的高温超导体中被发现,这使得它们对科学家研究某些金属如何成为高温超导体非常有用。

  

  这项工作很重要,因为深入了解“奇怪”金属相中电子的量子行为,可以让研究人员了解高温下的超导机制。如果我们知道描述这些行为的理论,我们也许能够设计高温超导体。

  超导体之所以得名,是因为它们是电的终极导体。与导体不同的是,它们的电阻为零,就像电子“摩擦”一样,当电流流经导体(如铜或金线)时,就会失去动力。

  这使得超导体成为为城市供电的理想材料,因为使用无电阻导线节省的能源将是巨大的。强大的超导体还可以悬浮沉重的磁铁,为实用和经济的磁悬浮汽车、火车等铺平了道路。

  

  要把导体变成超导体,金属材料必须冷却到极低的温度,以失去所有的电阻,这是一个突然的过程,物理学尚未发展出一个全面的理论来解释。超导体的临界温度通常在-220到-480华氏度之间,通常需要一个使用液氮或氦的昂贵而笨重的冷却系统。

  一些研究人员已经研制出了能在大约59华氏度下工作的超导体,但它的压力也是地球表面的200多万倍。

  在这项研究中,中岛和研究人员能够测量和描述非超导材料“奇怪”金属状态下的电子行为,一种铁镍合金,在接近量子临界点时,电子从具有可预测的单个行为转变为在量子力学涨落中集体移动,这对科学家来说是一个挑战。

  

  研究人员能够通过使用一种独特的金属混合物来测量和描述电子行为,在这种混合物中,镍和钴通过一种称为掺杂的过程取代铁,这样就制造出了一种镍铁合金,它在零下459.63华氏度的温度下都不会超导,远低于导体成为超导体的临界点。

  “我们使用了一种合金,一种高温铁基超导体的相对化合物,在这种情况下,铁、钴和镍的成分比例是经过微调的,因此即使接近绝对零度也没有超导性,研究人员说。“这让我们能够获得量子涨落控制电子行为的临界点,并研究它们在化合物中的行为。”

  

  
他们发现,电子的行为并没有被任何已知的理论预测所描述,但电子在物质中传播的散射率可以与所谓的普朗克耗散联系起来,普朗克耗散是物质传输能量的量子速度极限。“我们观察到的量子临界行为非常不寻常,与已知量子临界材料的理论和实验完全不同,”研究人员说。下一步是绘制这种铁镍合金体系的掺杂相图。

  最终目标是设计温度更高的超导体。如果我们能做到这一点,我们就可以用它们来低成本地进行磁共振成像扫描、磁悬浮、电网等。开启预测“奇怪”金属电阻行为的方法,不仅会促进超导体的发展,还会为其他量子级现象提供理论依据。

  最近的理论发展通过普朗克耗散显示了黑洞、引力和量子信息理论之间惊人的联系。因此,对‘奇怪’金属行为的研究也成为了这个背景下的一个热门话题。

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