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研究观测到特殊超导材料的量子效应
2022-11-05

由于迈斯纳效应,处于超导状态的材料具有完全抗磁性,即其内部磁场为零,对外在磁场完全排斥。此图显示一块处于超导状态的物体由于抗磁而悬浮。

一个国际研究组利用“扫描隧道显微镜”技术直接观测到一种特殊超导材料中令人意外的量子效应,并发现了特定杂质如何摧毁其超导性能。

传统超导材料都需要在很低的温度下实现,约十年前科研人员发现一种含铁材料在相对高一些的温度下也可实现超导,吸引了大量研究人员的关注。

不过这种材料究竟如何实现超导还是一个谜,因为铁的磁性与超导特性看起来是矛盾的。为了进一步了解这种特殊超导材料的原理,这个研究组从影响超导的因素入手进行研究。

曾获诺贝尔奖的物理学家安德森(Philip Anderson)于1959年提出的理论称,在多数情况下,超导材料中即便混入杂质,也不会影响其超导性能。但是现在发现一些例外的情况。

美国普林斯顿大学(Princeton University)引领的国际研究组从其中一个例外入手——含铁超导材料中一旦混入钴元素,就失去超导性能,变成普通的金属材料。

研究负责人普林斯顿大学的物理学教授哈桑(Zahid Hasan)说:“就像我们要探查湖中水波的情况,我们会扔进一块石头。杂质对超导特性的影响揭示了其量子层面的细节。”

研究人员用“扫描隧道显微镜”技术直接观察钴元素在材料微观小范围和大范围内如何影响材料的超导性能。

他们发现,每个钴原子对超导的影响在超出杂质一两个原子的范围之外就消失了,然而当钴原子密度增大时,就能导致整体材料损失超导特性。

进一步观测发现,超导现象中的量子效应似乎能对钴原子杂质如何违反安德森理论作出解释:“材料的超导性能是由两个电子组对形成带有波函数特性的量子态而产生。电子对使得电子在材料中无阻力地穿梭。拆散电子对所需的最小能量被称为‘超导能隙’。当加入钴原子后,拆散电子对的‘能隙’有强、弱两极限值。”

“在取代铁原子时,钴原子呈现能隙弱值,尽管这个弱值对超导性能的干扰很小,但是当很多钴原子聚集在一起,它们产生的效果就能摧毁整个超导特性。”

这份研究近期发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

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