新浪科技訊 北京時(shí)間12月11日消息，據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報(bào)道，超導(dǎo)性是一種神奇的性質(zhì)：超導(dǎo)體可以傳輸電流而不會(huì)產(chǎn)生任何電阻，于是也就不 會(huì)有電力損耗。在某些尖端領(lǐng)域，這種技術(shù)已經(jīng)開始得到應(yīng)用，比如在核自旋斷層設(shè) 備或粒子加速器中充當(dāng)磁體。然而，要想獲得超導(dǎo)性，超導(dǎo)材料必須被冷卻到非常低的溫度才可以。但就在去年，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在這方面取得了突破。
借助短波紅外激光脈沖的幫助，研究人員首次成功地制成室溫下的陶瓷超導(dǎo)體——盡管其維持的時(shí)間僅有數(shù)百萬分之幾微秒。一個(gè)由德國馬克斯普朗克物 質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力 學(xué)研究所參與的國際小組近期在《自然》雜志上報(bào)道了他們的此項(xiàng)工作。研究組相信這一現(xiàn)象背后的原理是：激光脈沖導(dǎo)致晶體晶格中的單個(gè)原子發(fā)生短暫變動(dòng)，從 而導(dǎo)致超導(dǎo)性的產(chǎn)生。這項(xiàng)成果將有望幫助現(xiàn)有低溫超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)在高得多的溫度條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性，因此擁有廣泛應(yīng)用前景。
起初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾類金屬在溫度僅稍高于絕對零度的超低溫環(huán)境下顯示超導(dǎo)性。之后到了20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新的陶瓷材 料，其可以在零下200攝氏度左右的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性，也因此被稱作“高溫超導(dǎo)體”。這些陶瓷材料其中有一種是釔鋇銅氧化物(YBCO)。這是一種最有前 景的超導(dǎo)材料，未來或可應(yīng)用于超導(dǎo)電纜，馬達(dá)以及發(fā)電機(jī)等設(shè)備。
釔鋇銅氧化物的晶體具有一種非常特殊的結(jié)構(gòu)：雙層氧化銅分子層與一層稍厚一些的鋇、銅、氧原子中間層交互疊加構(gòu)成晶體。這種材料的超導(dǎo)性便來自 其中的雙層氧化銅分子層。電子可以在這里結(jié)合形成所謂“庫珀對”(Cooper pairs)。 這種電子對可以在不同層之間穿越，這就意味著這些電子對能像鬼魂一樣穿越層面不受阻擋——這是一種典型的量子現(xiàn)象。然而這種晶體結(jié)構(gòu)也只有在低于“臨界溫 度”的情況下才會(huì)顯示超導(dǎo)性，因?yàn)橹挥性谶@樣的條件下電子才會(huì)形成庫珀對，并且不僅僅在雙層氧化銅分子層內(nèi)穿越，而且還能穿越更厚的中間層。而當(dāng)溫度高于 臨界溫度時(shí)，這種電子的庫珀對便消失了，這種材料也就變回一種導(dǎo)電性很差的金屬合成材料。
有助研發(fā)新型超導(dǎo)材料
2013年， 一個(gè)馬普研究所參與的國際研究組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用紅外激光脈沖照射釔鋇銅氧化物材料時(shí)，它會(huì)在室溫條件下短暫地顯示出超導(dǎo)性。很顯然激光脈沖改變了這種材料晶 體結(jié)構(gòu)中雙層氧化銅分子的耦合性。然而其中更確切的原因仍然不甚明了——直到研究組有機(jī)會(huì)前往美國，利用斯坦福大學(xué)的直線加速器相干光源(LCLS)—— 世界上最強(qiáng)大的X射線激光進(jìn)行分析之后才最終揭開謎底。德國馬普研究所物理學(xué)家羅曼·曼可威斯基(Roman Mankowsky)是這篇《自然》雜志論 文的第一作者。他說：“首先，我們再次向材料照射紅外脈沖激光，我們看到其中一些原子開始發(fā)生振動(dòng)。很短時(shí)間之后，我們緊接著使用短X射線脈沖來測量被激 發(fā)的晶體精確的晶格結(jié)構(gòu)。”
這樣做得到的結(jié)果是發(fā)現(xiàn)，紅外脈沖不僅僅激發(fā)并導(dǎo)致原子振動(dòng)，實(shí)際上還讓原子發(fā)生了遷移，離開了原先的位置。這就在短時(shí)間內(nèi)造成氧化銅雙分子層 厚度增加了2個(gè)皮米(1皮米=1萬億分之一米)，或一個(gè)原子直徑的百分之一左右，而它們之間中間層的厚度則相應(yīng)發(fā)生減薄。這一變化增強(qiáng)了兩個(gè)雙層之間的耦 合效應(yīng)，從而導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)在室溫下短暫地顯示出超導(dǎo)性。
而在另一方面，這項(xiàng)最新研究成果也幫助改進(jìn)了目前還尚不完善的高溫超導(dǎo)體理論。曼 可威斯基表示：“這項(xiàng)成果將幫助材料科學(xué)家們研發(fā)具有更高臨界溫度的超導(dǎo)材料。并最終實(shí)現(xiàn)可在室溫下應(yīng)用，完全無需冷卻的超導(dǎo)材料的夢想。”到目前為止， 超導(dǎo)磁體，馬達(dá)或電機(jī)在應(yīng)用時(shí)都必須使用液氮或液氦進(jìn)行冷卻。如果這種復(fù)雜的冷卻過程不再需要，這將意味著這一領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)突破。