科學也可以如此靠近

重磅:這個理論被證實,直接促使超導體科學,獲得突破!

6月
29
2019

2019年6月29日22時 博科園

博科園

當一種物質從固態、液態或氣態轉變為另一種狀態時,就會發生相變。在這些相變過程中,系統可以同時顯示物質的兩種狀態。當普通金屬轉變為超導體時,也會發生類似效應——特性波動,原本屬於一種狀態的特性被帶入另一種狀態。哈佛大學科學家們開發了一種基於鉍的二維超導體,它只有1納米厚。通過研究這種超薄材料轉變為超導時的波動,科學家們更全面地了解了驅動超導的過程。

由於超導材料經過改進,可以攜帶近零電阻的電流,因此它幾乎可以應用於任何用電技術。哈佛大學科學家們利用這項新技術,對美國能源部阿貢國家實驗室的科學家瓦萊里·維諾庫,23年前提出的超導體理論進行了實驗驗證。科學家們感興趣的一個現象是,當材料轉變成超導體時,經過充分研究的霍爾效應發生了完全逆轉。當一種正常的非超導材料攜帶外加電流並受到磁場作用時,就會在該材料上產生電壓。

這種正常的霍爾效應使電壓指向一個特定的方向,這取決於電場的方向和電流。有趣的是,當材料變成超導體時,霍爾電壓反轉的跡象。材料的「積極」部分變成了「消極」部分。這是一個眾所周知的現象。然而,儘管霍爾效應長期以來一直是科學家用來研究,使一種材料成為優良超導體電子特性類型的主要工具,但這種反向霍爾效應的成因幾十年來一直讓科學家們感到神秘,特別是在高溫超導體方面,這種效應更強。

傑出學者、理論家維諾庫爾及其同事對高溫超導體中的這種效應(以及更多)進行了全面描述。該理論考慮了所有相關的驅動力,並且包含了如此多的變量,以至於在實驗中測試它似乎是不現實的直到現在。直到現在,維諾庫說:我們相信我們真的解決了這些問題,但當時這些公式感覺毫無用處,因為它們包含了許多參數,很難與當時使用現有技術進行的實驗進行比較。科學家們知道,反向霍爾效應是磁場中超導材料中突然出現的磁渦流造成。

渦旋是超導電子液體中的奇異點(庫柏對),庫柏對在其周圍流動,產生循環的超導微電流,這給材料中的霍爾效應帶來了物理學上的新特性。通常情況下,材料中的電子分布會導致霍爾電壓,但在超導體中,渦旋在外加電流的作用下運動,這就產生了電子壓差,在數學上與使飛機保持飛行狀態的壓差相似。這些壓差改變了施加電流的方向,就像飛機的機翼改變了空氣通過的方向,使飛機上升一樣。渦旋運動以不同的方式重新分配電子,使霍爾電壓方向與通常的純電子霍爾電壓相反。

此前理論定量地描述了這些渦旋的影響,而這只是定性地理解。現在哈佛大學的科學家們花了5年時間研製出一種新材料,對這一理論進行了驗證。這種鉍基的薄材料實際上只有一層原子厚度,因此基本上是二維的。它是同類中唯一的一種,一種薄膜高溫超導體;這種材料的生產本身就是超導體科學的一項技術突破。哈佛大學研究小組的首席科學家菲利普·金(Philip

Kim)說:通過把尺寸從3個縮小到2個,這種材料的性質波動變得更加明顯。也更容易研究,創造了一種極端形式的材料。

能夠定量地闡述先前提出的理論,該理論的一個預測是,反常的反向霍爾效應可能存在於超導體材料的溫度之外。這項研究提供了一個定量描述的效果,完全符合理論預測。在確定渦旋在反向霍爾效應中所起的作用之前,無法可靠地把它用作測量工具。現在我們知道這是正確的,可以用這個理論來研究過渡階段的其他波動,最終有助於更好地理解超導體。儘管這項研究中的材料是二維的,但科學家們相信該理論適用於所有超導體。

未來的研究將包括對材料的深入研究——渦旋的行為甚至在數學研究中也有應用。旋渦是拓撲對象的例子,或具有獨特幾何特性的對象。由於它們的形成和變形方式以及它們如何改變材料的性質,目前在數學中是一個熱門話題。理論用拓撲學來描述渦旋的行為,而物質的拓撲學性質可以帶來許多新物理現象。有時候你會發現一些新奇的東西,但有時候你只是確認,你確實理解了擺在面前日常事物的行為,其研究成果發表在《物理評論快報》上。

博科園|研究/來自:阿貢國家實驗室

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.247001

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