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美科學家發現贗能隙“搶走”了高溫超導體中的電子

2014-12-23 09:17:18
科技日報




贗能隙“搶走”了高溫超導體中的電子

新發現為提高超導體的工作溫度打開新思路

科技日報訊 (記者劉園園)美國科學家發現了物質的神秘狀態贗能隙與高溫超導性相互競爭的首個直接證據:贗能隙“搶走”了高溫超導體中的電子——這些電子本來可以配對并以百分之百的效率讓電流通過超導材料。這項研究由斯坦福大學和美國能源部斯坦福直線加速器中心的科研人員主導,研究結果近日發表在《自然·材料》中。

上世紀90年代中期,科學家在氧化銅超導體的能譜中發現了一種令人困惑的能隙,并將之稱為贗能隙。這種贗能隙看起來很像超導體中的電子留下的能隙,但是它是在十分溫和的溫度下出現,這種溫度下不可能實現超導性。它是超導行為的導入階段?還是一種將超導性抑制在一定范圍內的競爭狀態?它從哪里來?沒有人知道答案。

新研究發現,贗能隙是阻礙超導體在更高的溫度下工作的“絆腳石”之一。斯坦福直線加速器中心的科學家橋本表示,他們發現了確鑿的證據,證明贗能隙與超導性相競爭并抑制超導性。如果采取某種辦法消除這種競爭關系,或更好地處理它,科研人員就可能提高超導體的工作溫度。

他們使用了一種叫做“角分辨光電子能譜”(ARPES)的技術將電子從氧化銅材料中撞擊出來。據物理學家組織網1222日(北京時間)報道,通過繪制這些被“驅逐”的電子的能量和動量的能譜,他們得以了解電子在材料內部的表現。最終,他們通過多種測量發現,在關鍵的臨界溫度點,贗能隙和超導性在為爭搶電子而相互競爭。

斯坦福直線加速器中心的教授托馬斯·德弗羅形象地解釋說,贗能隙傾向于將那些試圖進入超導狀態的電子吞進去,電子忙著在贗能隙中跳舞,超導性試圖插進來,電子卻不讓它加塞兒。之后,當材料進入超導狀態時,贗能隙就繳械投降,把電子釋放出來了。“這是我們獲得的關于贗能隙和超導性相互競爭的最強烈證據。”

德弗羅說,科學家依然不知道是什么導致贗能隙的出現,這是這一領域最重要的問題之一,因為顯然它在阻止超導體在更高的溫度下工作。

但是科研人員認為這一研究結果為更深入的研究指明了方向。橋本表示,現在他們可以通過理論計算模擬出贗能隙和超導性之間的關系,并通過改變參數來弄明白贗能隙到底是什么。橋本認為,競爭可能僅僅是兩者關系的一個方面,還有更多深奧的問題等待破解,比如,贗能隙對于超導性的出現是不是必要的?

總編輯圈點

超導體的工作溫度還能持續提高嗎?贗能隙的研究為科學家打開了一扇新的大門。最新的這項研究揭示了贗能隙和超導體對電子的競爭:超導性需要電子,而贗能隙則吞進電子。這種競爭關系看似表明了一個淺顯的道理:抑制一方,可讓另一方更容易體現。然而贗能隙最本質的問題——“如何出現”的答案還隱藏在迷霧之中,因此不顧前提地抑制一方,也許會適得其反。畢竟科學要研究的不僅僅是其然,還有其所以然,這樣才能更有效地轉化科學成果。

 


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