利用世界上最強大的磁鐵之一來彌補超導體的驚人行為

科學家們發(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 - 這一發(fā)現(xiàn)有助于指導尋找能夠在室溫下完美導電的材料

當真正強大的磁鐵能夠產生比地球強大近200萬倍的磁場時，會發(fā)生什么呢?適用于在液氮冷卻時具有“超強”導電能力的材料?一組科學家開始在一個由鑭，鍶，銅和氧(LSCO)元素組成的超導體中回答這個問題。他們發(fā)現(xiàn)，當非常高的磁場在低溫下抑制其超導性時，這種氧化銅化合物或銅酸鹽的電阻會以不尋常的方式發(fā)生變化。

“凝聚態(tài)物理學中最緊迫的問題是理解銅酸鹽中超導的機理，因為在環(huán)境壓力下，它們在任何目前已知材料的最高溫度下變成超導體，”物理學家Ivan Bozovic說道，他是氧化物分子束外延組的負責人。能源部(DOE)布魯克海文實驗室，也是8月3日科學的合著者報道發(fā)現(xiàn)的報紙。“這一新結果 - LSCO的電阻率與低溫下的磁場強度呈線性關系 - 進一步證明了高溫超導體的表現(xiàn)不像普通金屬或超導體。一旦我們能夠提出一個理論來解釋它們的異常行為，我們就會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體。

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

2016年，Bozovic的小組報告說，LSCO的超導狀態(tài)與普遍接受的經典超導理論所解釋的狀態(tài)完全不同; 它取決于給定體積中電子對的數(shù)量而不是電子配對相互作用的強度。在第二年發(fā)布的后續(xù)實驗中，他們獲得了另一個令人費解的結果：當LSCO處于非超導(正?；?ldquo;金屬”)狀態(tài)時，其電子不像液體那樣表現(xiàn)為液體。對金屬的標準理解。

“凝聚態(tài)物理界對這個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年開始的這項全面的多部門研究，Bozovic的小組和合作者現(xiàn)在已經找到了額外的證據(jù)來支持后者的觀點，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體。

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

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

為了研究磁阻，Bozovic和團隊成員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，其中將包含不同化學元素原子的單獨光束照射到加熱的單晶襯底上。當原子落在基板表面時，它們凝結并緩慢地生長成超薄層，一次構建一個原子層。晶體的生長發(fā)生在高度真空的高度真空條件下，以確保樣品不被污染。

“布魯克海文實驗室對這項研究的關鍵貢獻是這個材料綜合平臺，”Bozovic說。“它允許我們?yōu)椴煌难芯慷ㄖ票∧さ幕瘜W成分，為我們觀察超導材料的真實特性提供了基礎，而不是由樣品缺陷或雜質引起的特性。”

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

他們在布魯克海文實驗室用兩個9特斯拉磁鐵進行了初始磁阻測量 - 供參考，當今磁共振成像(MRI)機器中使用的磁鐵強度通常高達3特斯拉。然后，他們將最好的樣品(具有最佳結構和運輸質量的樣品)帶到脈沖現(xiàn)場設施。該國際用戶設施位于DOE的洛斯阿拉莫斯實驗室，是高磁場實驗室的一部分，該實驗室擁有世界上最強大的磁鐵。脈沖場設施的科學家將樣品放入80特斯拉脈沖磁鐵中，由電流的快速脈沖或射擊提供動力。磁鐵產生如此大的磁場，使其不能在很短的時間內(微秒到幾分之一秒)通電，而不會破壞自身。

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

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

科學家用來測量電阻率隨溫度和磁場變化的典型裝置的一個例子?？茖W家通過原子逐層分子束外延生長薄膜，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，但這種更高的場強將使我們能夠擴大我們可以抑制超導性的興奮劑水平范圍，”Bozovic說。“在更廣泛的化學成分中收集更多數(shù)據(jù)將有助于理論家們在銅酸鹽中形成高溫超導的最終理論。”

明年，Bozovic和其他物理學家將與理論家合作解釋實驗數(shù)據(jù)。

“似乎電子的強相關運動落后于我們觀察到的線性關系，”Bozovic說。“關于如何解釋這種行為有各種各樣的想法，但在這一點上，我不會挑出任何一種行為。”