科学家实现短时室温超导

小心愿

最近，一个由德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所领导的国际研究小组经过一年的实验，借助短红外激光脉冲在一种陶瓷材料上成功实
现了室温超导——虽然只有百万分之几微秒。这一发现有助于开发新型高温超导材料，并发现这些材料的新用途。相关论文发表在最近的《自然》杂志上。


据物理学家组织网12月4日报道，马克斯·普朗克研究员安德烈·卡弗拉里与来自法国、瑞士等国家的科学家合作，发现用红外激光脉冲照射一种叫做钇钡
铜氧化物（YBCO）的晶体时，它在室温下（300K）短暂地显出了超导性。他们认为，是激光脉冲使晶格中的原子出现了暂时改变，从而提高了材料的超导
性。


最初，超导只是在接近绝对零度（-273℃）时少数金属中出现的现象，到上世纪80年代，物理学家发现了一类新的基于陶瓷的材料，能在零下200℃左右无阻导电，称之为高温超导体。其中YBCO在技术应用上最有前景，有望用在超导电缆、发动机、发电机等方面。


YBCO晶体的结构很特殊：薄的氧化铜双层和厚的含钡铜氧层交替层叠。超导性就来自氧化铜双层，这里的电子能结合成“库伯对”，在各层间形成隧穿，
就像幽灵穿过墙壁，这就是典型的量子效应。但晶体只在低于临界温度时才出现超导，那时库伯对才能通过厚的中间层，在各个薄的双层间隧穿。在临界温度以上，
厚层中的库伯对就会消失，使导电性变得很小。


研究人员发现，激光明显改变了晶体中各双层间的耦合，但其确切机制还不清楚。“我们向晶体发射红外脉冲，激发了特定的原子振荡。”论文第一作者、马
克斯·普朗克物理学家罗曼·曼考斯基说，“随后，我们很快用短X射线脉冲检测了受激晶体的精确结构。”结果发现，红外脉冲不仅激发了原子振荡，而且改变了
它们在晶体中的位置。这种短暂的冲击让二氧化铜双层变得更厚——变厚了2皮米，一个原子直径的百分之一，而双层间的厚层变薄了同样数量。这提高了双层间的
量子耦合能力，使晶体能在室温下出现几皮秒的超导。


直到目前，超导磁体、发动机和电缆还必须用液氮或液氦制冷到极低温度。如能省掉复杂的制冷程序，将是这项技术的重大突破。曼考斯基说，一方面，新发
现有助于改进尚不完善的高温超导理论。“另一方面，它能帮助材料科学家开发出临界温度更高的新型超导体，最终实现无需制冷的高温超导梦想。”