利用世界上最強(qiáng)大的磁鐵之一來彌補(bǔ)超導(dǎo)體的驚人行為

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，氧化銅化合物的電阻以非常不尋常的方式取決于磁場(chǎng) - 這一發(fā)現(xiàn)有助于指導(dǎo)尋找能夠在室溫下完美導(dǎo)電的材料

當(dāng)真正強(qiáng)大的磁鐵能夠產(chǎn)生比地球強(qiáng)大近200萬倍的磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么呢?適用于在液氮冷卻時(shí)具有“超強(qiáng)”導(dǎo)電能力的材料?一組科學(xué)家開始在一個(gè)由鑭，鍶，銅和氧(LSCO)元素組成的超導(dǎo)體中回答這個(gè)問題。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)非常高的磁場(chǎng)在低溫下抑制其超導(dǎo)性時(shí)，這種氧化銅化合物或銅酸鹽的電阻會(huì)以不尋常的方式發(fā)生變化。

“凝聚態(tài)物理學(xué)中最緊迫的問題是理解銅酸鹽中超導(dǎo)的機(jī)理，因?yàn)樵诃h(huán)境壓力下，它們?cè)谌魏文壳耙阎牧系淖罡邷囟认伦兂沙瑢?dǎo)體，”物理學(xué)家Ivan Bozovic說道，他是氧化物分子束外延組的負(fù)責(zé)人。能源部(DOE)布魯克海文實(shí)驗(yàn)室，也是8月3日科學(xué)的合著者報(bào)道發(fā)現(xiàn)的報(bào)紙。“這一新結(jié)果 - LSCO的電阻率與低溫下的磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系 - 進(jìn)一步證明了高溫超導(dǎo)體的表現(xiàn)不像普通金屬或超導(dǎo)體。一旦我們能夠提出一個(gè)理論來解釋它們的異常行為，我們就會(huì)知道是否以及在哪里尋找能夠在更高溫度下，甚至在室溫下攜帶大量電流的超導(dǎo)體。

像LSCO這樣的銅酸鹽通常是絕緣體。只有當(dāng)它們被冷卻到零度以下幾百度并且它們的化學(xué)成分濃度被改變(一個(gè)叫做摻雜的過程)才能使它們成為金屬時(shí)，它們的移動(dòng)電子才能配對(duì)形成一個(gè)無阻力流動(dòng)的“超流體”?？茖W(xué)家希望了解銅酸鹽如何實(shí)現(xiàn)這一驚人的壯舉將使他們能夠開發(fā)出室溫超導(dǎo)體，這將使能量生成和輸送顯著提高效率和降低成本。

2016年，Bozovic的小組報(bào)告說，LSCO的超導(dǎo)狀態(tài)與普遍接受的經(jīng)典超導(dǎo)理論所解釋的狀態(tài)完全不同; 它取決于給定體積中電子對(duì)的數(shù)量而不是電子配對(duì)相互作用的強(qiáng)度。在第二年發(fā)布的后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，他們獲得了另一個(gè)令人費(fèi)解的結(jié)果：當(dāng)LSCO處于非超導(dǎo)(正?；?ldquo;金屬”)狀態(tài)時(shí)，其電子不像液體那樣表現(xiàn)為液體。對(duì)金屬的標(biāo)準(zhǔn)理解。

“凝聚態(tài)物理界對(duì)這個(gè)最基本的問題存在分歧：銅離子的行為是否屬于現(xiàn)有的超導(dǎo)體和金屬理論，還是存在著截然不同的物理原理?”Bozovic說。

繼續(xù)從2005年開始的這項(xiàng)全面的多部門研究，Bozovic的小組和合作者現(xiàn)在已經(jīng)找到了額外的證據(jù)來支持后者的觀點(diǎn)，即現(xiàn)有的理論是不完整的。換句話說，這些理論可能并不包含所有已知的材料。例如，可能有兩種不同類型的金屬和超導(dǎo)體。

“這項(xiàng)研究指出了銅酸鹽中奇異金屬態(tài)的另一個(gè)特性，即金屬不典型：在非常高的磁場(chǎng)下的線性磁阻，”Bozovic說。“在抑制超導(dǎo)狀態(tài)的低溫下，LSCO的電阻率與磁場(chǎng)成線性(直線); 在金屬中，這種關(guān)系是二次的(形成拋物線)。“

這個(gè)合成圖像提供了定制設(shè)計(jì)的分子束外延系統(tǒng)的一瞥，Brookhaven物理學(xué)家用它來制造單晶薄膜，用于研究超導(dǎo)銅酸鹽的特性。

為了研究磁阻，Bozovic和團(tuán)隊(duì)成員Anthony Bollinger，Xi He和Jie Wu首先必須在最佳摻雜水平附近制造出完美無缺的LSCO單晶薄膜。他們使用了一種稱為分子束外延的技術(shù)，其中將包含不同化學(xué)元素原子的單獨(dú)光束照射到加熱的單晶襯底上。當(dāng)原子落在基板表面時(shí)，它們凝結(jié)并緩慢地生長(zhǎng)成超薄層，一次構(gòu)建一個(gè)原子層。晶體的生長(zhǎng)發(fā)生在高度真空的高度真空條件下，以確保樣品不被污染。

“布魯克海文實(shí)驗(yàn)室對(duì)這項(xiàng)研究的關(guān)鍵貢獻(xiàn)是這個(gè)材料綜合平臺(tái)，”Bozovic說。“它允許我們?yōu)椴煌难芯慷ㄖ票∧さ幕瘜W(xué)成分，為我們觀察超導(dǎo)材料的真實(shí)特性提供了基礎(chǔ)，而不是由樣品缺陷或雜質(zhì)引起的特性。”

然后，科學(xué)家將薄膜圖案化到含有電壓引線的條帶上，以便測(cè)量在施加的磁場(chǎng)下流過LSCO的電流量。

他們?cè)诓剪斂撕Ｎ膶?shí)驗(yàn)室用兩個(gè)9特斯拉磁鐵進(jìn)行了初始磁阻測(cè)量 - 供參考，當(dāng)今磁共振成像(MRI)機(jī)器中使用的磁鐵強(qiáng)度通常高達(dá)3特斯拉。然后，他們將最好的樣品(具有最佳結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸質(zhì)量的樣品)帶到脈沖現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施。該國(guó)際用戶設(shè)施位于DOE的洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室，是高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的一部分，該實(shí)驗(yàn)室擁有世界上最強(qiáng)大的磁鐵。脈沖場(chǎng)設(shè)施的科學(xué)家將樣品放入80特斯拉脈沖磁鐵中，由電流的快速脈沖或射擊提供動(dòng)力。磁鐵產(chǎn)生如此大的磁場(chǎng)，使其不能在很短的時(shí)間內(nèi)(微秒到幾分之一秒)通電，而不會(huì)破壞自身。

“這個(gè)巨大的磁鐵，一個(gè)房間的大小，吸引了一個(gè)小城市的電力，是這個(gè)上唯一的這樣的裝置，”Bozovic說。“如果幸運(yùn)的話，我們每年只能訪問一次，所以我們選擇了最好的樣本進(jìn)行研究。”

10月，科學(xué)家將獲得更強(qiáng)的(90特斯拉)磁體，他們將用它來收集額外的磁阻數(shù)據(jù)，看看線性關(guān)系是否仍然成立。

科學(xué)家用來測(cè)量電阻率隨溫度和磁場(chǎng)變化的典型裝置的一個(gè)例子?？茖W(xué)家通過原子逐層分子束外延生長(zhǎng)薄膜，將其圖案化成器件，并將其引線鍵合到芯片載體上。

“雖然我不希望看到不同的東西，但這種更高的場(chǎng)強(qiáng)將使我們能夠擴(kuò)大我們可以抑制超導(dǎo)性的興奮劑水平范圍，”Bozovic說。“在更廣泛的化學(xué)成分中收集更多數(shù)據(jù)將有助于理論家們?cè)阢~酸鹽中形成高溫超導(dǎo)的最終理論。”

明年，Bozovic和其他物理學(xué)家將與理論家合作解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

“似乎電子的強(qiáng)相關(guān)運(yùn)動(dòng)落后于我們觀察到的線性關(guān)系，”Bozovic說。“關(guān)于如何解釋這種行為有各種各樣的想法，但在這一點(diǎn)上，我不會(huì)挑出任何一種行為。”