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科学家发现氧化钌(RuO2)层中的超导行为
时间:2020-10-10 文章来源:
  

超导为什么在我们日常生活中接触不多?

目前科学家发现的超导材料都需要在很低的温度或者或很高的压强下才能成为超导。科学家们还在寻找常温或接近常温条件下的超导体。

2001年,研究人员发现,二硼化镁(MgB2)在零下234摄氏度时是超导的。2019年科学家将一个极小的超氢化物镧 (或LaH10)样本,压缩到接近地核的压力(190GPa),将温度维持在-13摄氏度时,该材料有了超导特性。



声子特性的新发现

在RuO2薄膜中,科学家发现衬底诱导的应变产生了一种能促进超导电性的声子。

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最近的技术进步使得研究人员能够制造出非常高质量的,薄的,金属氧化物薄膜,这推动了一些实验微观方面的发展。通过实验,科学家发现在大约30nm厚的氧化钌(RuO2)层中的超导行为,但只有当它生长在一个适当取向的二氧化钛(TiO2)衬底上时。现在,东京大学的Masaki Uchida和他的同事已经确定了这种行为。他们的发现可能为在其他金属氧化物薄膜中诱导超导性提供了一个起点。

当在具有不同晶格参数的衬底上生长金属氧化物薄膜时,失配产生的应力使薄膜原子间的键变形。实验发现,这一过程可以促进RuO2的超导性,但其背后的机制尚不清楚。为了进行研究,东京团队在TiO2衬底或氟化镁(MgF2)衬底上生长具有不同晶体取向的RuO2薄膜,然后在薄膜冷却到0.4 K时测量RuO2的电导率。

研究小组发现只有一个样品变成了超导体,它生长在特定取向的TiO2上的RuO2薄膜,在1.7K下开始超导。在该样品中,晶格失配挤压了RuO2晶体结构中的一个特定金属氧键。通过密度泛函计算,研究人员发现这种键的缩短降低了声子沿单位细胞长轴移动的频率。众所周知,这种“软”声子会使离子晶格变形,通过创造电子配对和无电阻传播所需的电子环境来促进RuO2中的超导电性。但是,研究人员说,为什么声子在这个特定的方向上移动如此重要,仍然不清楚。


什么是声子?

在固体物理学的概念中,结晶态固体中的原子或分子是按一定的规律排列在晶格上的。晶格振动的能量是量子化的,这种能量量子被称为声子。

声子是凝聚态物质中原子(或分子)振动的集体激发,常用来描述晶格振动的一种准粒子。

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什么是超导体?

超导体又称为超导材料,指在某一温度下,电阻为零的导体。在实验中,若导体电阻的测量值低于10-25Ω,可以认为电阻为零。

超导体的特性?

我们知道普通导电材料都有电阻,但超导体电阻为零,这样使用超导材料做成的电线,电流将永远循环下去,不会有任何损耗。

超导体有完全抗磁性,又称迈斯纳效应,“抗磁性”指在磁场强度低于临界值的情况下,磁力线无法穿过超导体,超导体内部磁场为零的现象

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BCS 理论与声子

超导现象于1911年发现,但直到1957年,巴丁、库珀和施里弗提出BCS理论,其微观机理才得到一个令人满意的解释。它提出,金属中自旋动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”,库珀对在晶格当中可以无损耗的运动,形成超导电流。

电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在库伦力直接作用的话,电子之间是不能相互吸引的,不能相互配对,但电子间还存在以晶格振动声子)为媒介的间接相互作用:电声子交互作用。当电子间的这种相互作用在满足一定条件时,可以是相互吸引的,正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。


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