高温超导电性形成机理的一次新突破
2016/3/25 中科院之声

    

     图：磁悬浮，超导迈斯纳效应

     更便宜的电力，更高效的运输，甚至科幻电影中的磁悬浮滑板。超导电性将要给我们的世界带来彻底的改变。尽管在技术上还有很长的路要走，但现在一个关键性的高温超导理论已经被证实了。这或许会大大缩短超导应用到现实的距离。

     某些材料被冷却到一个临界温度以下后，它们将变成超导体。超导体可以无阻碍地传导电流，主要即是因为形成电子对的电子之间互不相斥，从而可以不损耗能量穿过材料内部。

     普遍认为低温下固体材料中两个电子之间通过某种媒介相互作用产生吸引并形成电子对是驱动超导转变的原因，是实现材料零电阻以及超导抗磁性的关键。但是有别于传统超导材料，高温超导材料中两两电子组成电子对的媒介相互作用一直是个未解之谜。早在1989年国际知名理论物理学家 Chandra Varma 教授就这一问题首次提出高温超导电子配对是由材料中周期排列的不同原子间电荷转移形成的内生“环形电流”周期阵列的量子涨落和电子发生关联带来的，而且于2003年完成这一理论的数学理论框架并对实验有明确指导和独特的预言。但由于实验技术手段的限制而长期无法得到实验证实。

     “这是一个非常大胆的猜测，因为从来没有这样的现象曾经被实验观测到过。”加州大学河滨分校物理与天文学教授 Varma 说。

     “通过我的理论，可以精确预言提高超导材料的临界温度所需要的参数，” Varma 说道，“至于化学家和实验物理学家们如何去实现这些参数，我尚不清楚，不过理论至少指明了一个可行的方向。”

    

    

     图：中科院物理所超导国家重点实验室 SC7 组，上图为全景图，下图为 3D 示意图

     最近北京的超导国家重点实验室(中科院物理研究所的)周兴江研究组经过长达七年的积累，运用自主研发的具有自主知识产权的国际最先进深紫外激光角分辨光电子能谱仪进行了这个实验。并和 Chandra Varma 教授以及韩国科学家一道利用深紫外激光高精度测量并获得了不同温度，不同动量坐标上高精度高可靠的最佳掺杂附近区域 Bi2212 单晶 ARPES 能谱，结合由 Eliashberg 理论为基础自主开发的超导态准粒子自能函数 ARPES 能谱自洽数值分析方法，国际上首次系统性地成功提取出了该高温超导体在不同动量方向，不同温度超导态正常通道以及配对通道的准粒子自能函数。并以之成功验证了 Varma 的理论。这一重要成果被发表在了最近一期 Science Advances 上。

    

     欠掺杂 89K 样品的激光 ARPES 能谱(测量动量方向沿35度偏离节点方向) (A) T = 16K ， (B) T=107 K. (C) 大能量尺度不同温度同一方向获取的准粒子色散关系的比较。不同颜色标度不同的测量温度。右下角高能部分的局部放大显示测量的温度稳定性好于5×10^-3(π/a).这是定量自能分析的基础。

     不过所有超导材料的超导转变温度还是显著的低于摄氏零度的。即使是最“热”的超导体也仍然需要至少冷却到摄氏零下七十度左右。但科学家们相信他们的研究对发展室温超导体是有帮助的。科研需步步深入，经验要点点积累，未来将会有更多更有效的技术去减少热量损耗，去实现更快速的电力运输，以及去获得更先进的科学和医疗设备。

     英文作者：Alfredo Carpineti

     来源：IFLScience

     中文编译：俞理(论文作者之一)、sym

     来源：中国科学院物理研究所

    

    

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