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新测量方法,可助我们进一步理解高温超导体
发布时间:2020-05-25 08:57:30 阅读:133

来源:科学大观园

    不论是可持续能源,还是量子计算机,高温超导体的引入都有可能彻底改变目前的发展局面。但尽管科学家已经对超导技术进行了深入研究,我们仍然缺乏很多必要的基本认识。“希格斯光谱”能够揭示超导体中成对电子的动力学原理,其应用很可能成为高温超导技术发展的分水岭。

    据《自然•通讯》杂志近日报道,德国亥姆赫兹德累斯顿研究中心(HZDR)和马克思普朗克固态研究所(MPI-FKF)的研究人员发现了一种新的测量方法,可在超导临界温度以上,揭示典型的超导前兆。

    如果不考虑极端低温条件,超导输电将是理想的能源传输方式。以铜酸盐为代表的高温超导材料,成为突破低温超导瓶颈的新希望。然而,研究人员还不清楚铜酸盐超导体的确切工作原理——希格斯光谱可能成为“破局者”。HZDR研究人员Jan Christoph Deinert博士说:“希格斯光谱为我们研究物理过程提供了全新的‘放大镜’。它能够让我们了解电子是如何在高温超导体中形成电子对的。”

    在超导过程中,电子结合形成“库珀对”,使它们能够在不与环境产生相互作用的条件下,成对地在超导材料中移动。然而,当电子电荷使它们相互排斥时,又是什么让它们成对的呢?对于传统超导体,研究人员将其归因于晶格振动。

    论文作者、MPI-FKF研究人员Stefan Kaiser教授解释说:“一个电子扭曲了晶格,晶格就会吸引另一个电子。然而,对铜酸盐而言,科学家们还不清楚是哪种机制替代了晶格振动。有观点认为,高温超导中的电子配对是自旋波动(或者说是磁场的相互作用)造成的。但关键问题是,我们能否直接测量它们对超导性的影响?”

    这时,“希格斯振荡”进入了研究人员的视野:在高能物理学中,它解释了基本粒子有质量的原因。数年以前,日本东京大学的研究人员用超短光脉冲激发传统超导体产生了希格斯振荡,证实希格斯振荡可以用于材料的超导状态测定。

    然而,一次性脉冲对高温超导体是不够的——超导与非超导电子之间的相互作用,以及有序参数的复杂对称性使系统阻尼过大。

    Kaiser等改用多周期、强太赫兹脉冲,使高温超导体的希格斯振荡实验取得了突破。借助HZDR的高性能太赫兹光源TELBE,研究人员每秒能够向样品发送近100000次脉冲。Deinert说:“TELBE的强度和重复性非常高。由此我们得以选择性驱动希格斯振荡,并对其进行精确测定。”

    经过一系列测量实验,研究人员首先证实,他们的方法的确适用于铜酸盐。在临界温度以下,新方法不仅能够激发希格斯振荡,还发现了一种未知的脉冲激发与库珀对希格斯振荡的相互作用。进一步的实验将揭示这种相互作用是否是磁场相互作用。此外,研究人员还发现,库珀对也能在临界温度以上形成。

    研究人员认为,实验取得成功的原因在于理论、实验科学家之间的密切合作——MPI-FKF提出了假设,HZDR等完成了实验验证。研究人员Michael Gensch教授说:“这是大型研究设施用于科学实验的良好范例。TELBE这样的高功率太赫兹源是处理铜酸盐等复杂样品的理想工具。”

 
 

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