科學家正研究尋找更好超導材料的新招數

即使經過30多年的研究,高溫超導性仍然是材料物理學中未解之謎之一。使得某些材料即使在相對較高的溫度下仍能無阻力地傳導電流的確切機制仍未被完全理解。兩年前,人們發現了一類新的有希望的超導體:所謂的層狀鎳酸鹽。現在,維也納大學的一個研究小組通過比較理論和實驗,首次成功地確定了這些新型超導體的重要參數。

Superconductor-Illustration-777x544.jpg

這意味着,現在第一次有了一個理論模型,可以用來理解這些材料中高溫超導的電子機制。

目前已知有許多超導體,但它們中的大多數只在極低的溫度下超導,接近絕對零度。在較高溫度下仍然保持超導的材料被稱為”高溫超導體”–儘管這些”高”溫度(通常在低於-200℃的數量級)以人類的標準來看仍然是非常寒冷的。

Jan-Kunes.jpg

找到一種在明顯更高的溫度下仍然保持超導性的材料將是一個革命性的發現,將為許多新技術打開大門。長期以來,所謂的銅酸鹽被認為是特別令人興奮的候選材料–一類含有銅原子的材料。然而,現在,另一類材料可能被證明是更有希望的。鎳酸鹽,具有與銅酸鹽類似的結構,但用鎳而不是銅。

“對銅酸鹽進行了大量的研究,並有可能極大地提高該材料保持超導的臨界溫度。如果新發現的鎳酸鹽能夠取得類似的進展,這將是一個巨大的進步,”來自維也納大學固體物理研究所的Jan Kuneš教授說。

描述此類超導體行為的理論模型已經存在。然而,問題是,為了使用這些模型,人們必須知道某些難以確定的材料參數。”電荷轉移能量起着關鍵作用,”Jan Kuneš解釋說。”這個值告訴我們,要把一個電子從一個鎳原子轉移到一個氧原子,你必須向系統添加多少能量。”

不幸的是,這個值不能直接測量,而理論計算又極其複雜和不精確。因此,Jan Kuneš研究小組的成員Atsushi Hariki開發了一種方法來間接確定這一參數。當用X射線檢查材料時,其結果也取決於電荷轉移能量。”我們計算了對這個參數特別敏感的X射線光譜的細節,並將我們的結果與不同的X射線光譜方法的測量結果進行了比較,”Jan Kuneš解釋說。”通過這種方式,我們可以確定適當的數值–而這個數值現在可以插入到用於描述該材料的超導性的計算模型中。”

因此,現在第一次有可能精確地解釋該材料的電子結構,並建立一個參數化的理論模型來描述鎳酸鹽的超導性。有了這個,現在可以從根本上解決如何在電子層面上解釋該效應的力學問題。”哪些軌道起到了決定性的作用?哪些參數在細節上很重要?這就是你需要知道的,如果你想找出如何進一步改進這種材料,以便有一天你可能能夠生產出新的鎳酸鹽,其超導性甚至可以持續到更高的溫度。”