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高温超导解谜铁钥

  高温超导的神秘铁钥匙

  高温超导益智铁钥匙
[摘自“科学美国人”9月91日]
在环境温度为50K时具有超导性的铁氮化合物,新发现再次敦促物理学家共同寻找高温超导材料性能更好,同时能够解决超导下垂20年的奥秘。
传统超导体的损耗可以在电流零能量下传输,但必须冷却到近零绝对只有这个功能。 20世纪80年代后期,氧化铜超导体打破了长期存在的温度壁垒,但其在工业上的使用仍然是一个巨大的挑战。除了氧化铜,似乎没有其他材料具有相同的特性。但到了2008年,物理学家发现“铁氮化合物”也可以具有超过绝对零度的超导性质。
铁氮化合物或原理帮助科学家探索氧化铜超导现象许可证,并可以学习更多关于如何制作室温超导体。
2006年东京工业大学Hideo Hosono(细野秀夫)研究团队研究用于平板显示器的新型透明半导体,并没有打算寻找超导体,但他们正在探索一种新材料(镧,氧,铁,磷化合物),发现它在4K(-269℃)以下的温度下是完全非电阻的,也就是说它是超导体。虽然4K远远低于目前超导材料峰值温度138K(远低于“室温”的最终目标,约为300K),但科学家们已经有了新的超导体类型,就像游艇驾驶员得到的那样,像新的船体设计,水手想知道一艘船可以打开多快,物理学家想知道的是这种材料有多高的超导性。今天的超导体必须与昂贵,复杂和庞大的冷却系统相匹配,而这些冷却系统在工业应用中受到很大限制,提高工作温度将减少现有设备的麻烦,并使超导体的技术可行性和经济可行性成为可能。例如,设想了可承载大电流的无损传输电缆,以及可用于磁致伸缩成像,磁悬浮列车,粒子加速器和其他高科技装置的小型强磁体,而不会导致太多的成本。因此需要使用传统的液体低温超导体液氦冷却系统是不可或缺的,因此Hideo Hoshino的研究小组开始掺杂这种材料(在材料中加入其他原子),希望增加其转变温度(材料温度低于超导温度,也被称为临界温度)。他们用氟原子取代了一些氧原子,在7K显示出超导性能;将磷转化为砷使转化温度升高到26K,这个温度足以引起全世界物理学家的注意。到2008年2月底,团队发表砷论文后,又引起了一波研究。到2008年3月底,中国研究团队已经将相似化合物的转变温度提高到40K以上,一个月后提高到56K。虽然这些惊人的结果远远超过了氧化铜超导体在过去20年中创造的记录,物理学家仍然相当兴奋,原因有几个。首先,谁知道温度可以提高到什么程度?其次,物理学家认为,铁化合物比铜氧化物更容易进入科学和技术应用领域,因为氧化铜非常脆弱,必须用复杂的技术来制造电缆或磁性器件。另外,铁是超导体中比较特殊的元素,因为铁原子具有强磁性,通常会影响超导性。实际上,超导体除了具有超导性之外,还具有允许磁场绕过超导体而不经过超导体内部的附加特征。如果磁场强度足以进入超导体,则会破坏其超导性。为什么材料中的磁性铁原子不会损坏超导体?这个谜还是无法解决的。但也许最有趣的部分是新的铁化合物使氧化铜不再是独特的高温超导材料。二十多年来,研究人员一直无法找到解释氧化铜所有性质的理论,特别是在相对较高的转变温度下。现在这两种材料是可比的,实验科学家终于有机会发现重要的线索,帮助理论科学家揭开HTS的奥秘。这两种化合物的晶体相似性很大,所以很多科学家期望氧化铁超导体可以提供探索铜的线索。铜和铁超导体在比迄今为止已知的其他超导体更高的温度下是超导的,并且这些化合物中的每一种都具有使转变温度最大化的特定最佳掺杂浓度。如果掺杂不够或者过多,转变温度会逐渐降低,当与最佳浓度的差值达到一定水平时,会下降到绝对零度。换句话说,掺杂浓度非常低或非常高的样品完全没有超导性。然而,最明显的相似之处在于氧化铜和铁 - 氮化合物由交错的原子层组成。氧化铜氧化铜层的位置,在新材料中是一层铁 - 氮化合物,即铁和元素周期表上的氮(磷,砷,锑)结合的化合物。例如,在Hosoki Hideyoshi的26K材料中,氧化镧层与砷铁层交织。物理学家认为,氧化铜和铁 - 氮化合物层是这个晶体夹层中最重要的部分,超导电性来自于这里。上面和下面的“面包”层的功能只是提供或去除中间“填充”层中的电子。例如,在氟掺杂的LaOFeAs中,每个氟原子比它所取代的氧原子多一个电子,这些额外的电子移动到砷化铁层,从而改变它们的电子性质。从上面看,砷化物层的原子似乎在纳米级棋盘上,黑色方块中的铁原子和白色方块中的砷原子。氧化铜二氧化铜层的情况类似,但铜原子只占黑色方块的一半。每个氧化铜层是平坦的,所有的原子都在同一个平面上;相反,砷化铁层中的砷原子在铁原子之上或之下。每个铁原子周围有四个砷原子,位于正四面体的顶点。虽然我们知道这两种材料的大部分特性,但是这两种结构之间的异同是否重要仍然不清楚。这种层状结构深深地影响了氧化铜超导体的性质,因此通过层状结构在平行或垂直方向上的超导电流,超导体的性能将会不同。例如,在氧化铜晶体中,磁场对超导电流的影响取决于磁场的方向。当磁场平行于氧化铜晶体层时,当磁场垂直时,磁场强度超导性可以远远超过。这个特性非常重要,因为超导体的许多应用都与强磁场的产生有关。以上这些效应,可能成为破解氧化铜超导电性的重要线索。理论家非常重视这些线索,在过去的二十年里,他们中的大多数都集中在解释单层氧化铜如何产生超导性。换句话说,科学家把二维空间看作一个关键特征。从理论的角度来看,这是非常合理的,因为在数学和物理的例子中,许多系统在二维空间中具有独特的性质和现象,但是它们在三维空间中是完全不存在的或者是复杂的。许多实验结果也证实,氧化铜在氧化铜平面上相当特殊。
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  关键词:20082009技术材料工程

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