赝能隙会“抢走”高温超导体中的电子 减弱其超导性

2014-12-23 09:29 来源: 中国科技网-科技日报
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  美国科学家发现了物质的神秘状态赝能隙与高温超导性相互竞争的首个直接证据:赝能隙“抢走”了高温超导体中的电子——这些电子本来可以配对并以百分之百的效率让电流通过超导材料。这项研究由斯坦福大学和美国能源部斯坦福直线加速器中心的科研人员主导,研究结果近日发表在《自然·材料》中。

  上世纪90年代中期,科学家在氧化铜超导体的能谱中发现了一种令人困惑的能隙,并将之称为赝能隙。这种赝能隙看起来很像超导体中的电子留下的能隙,但是它是在十分温和的温度下出现,这种温度下不可能实现超导性。它是超导行为的导入阶段?还是一种将超导性抑制在一定范围内的竞争状态?它从哪里来?没有人知道答案。

  新研究发现,赝能隙是阻碍超导体在更高的温度下工作的“绊脚石”之一。斯坦福直线加速器中心的科学家桥本表示,他们发现了确凿的证据,证明赝能隙与超导性相竞争并抑制超导性。如果采取某种办法消除这种竞争关系,或更好地处理它,科研人员就可能提高超导体的工作温度。

  他们使用了一种叫做“角分辨光电子能谱”(ARPES)的技术将电子从氧化铜材料中撞击出来。据物理学家组织网12月22日(北京时间)报道,通过绘制这些被“驱逐”的电子的能量和动量的能谱,他们得以了解电子在材料内部的表现。最终,他们通过多种测量发现,在关键的临界温度点,赝能隙和超导性在为争抢电子而相互竞争。

  斯坦福直线加速器中心的教授托马斯·德弗罗形象地解释说,赝能隙倾向于将那些试图进入超导状态的电子吞进去,电子忙着在赝能隙中跳舞,超导性试图插进来,电子却不让它加塞儿。之后,当材料进入超导状态时,赝能隙就缴械投降,把电子释放出来了。“这是我们获得的关于赝能隙和超导性相互竞争的最强烈证据。”

  德弗罗说,科学家依然不知道是什么导致赝能隙的出现,这是这一领域最重要的问题之一,因为显然它在阻止超导体在更高的温度下工作。

  但是科研人员认为这一研究结果为更深入的研究指明了方向。桥本表示,现在他们可以通过理论计算模拟出赝能隙和超导性之间的关系,并通过改变参数来弄明白赝能隙到底是什么。桥本认为,竞争可能仅仅是两者关系的一个方面,还有更多深奥的问题等待破解,比如,赝能隙对于超导性的出现是不是必要的?

  总编辑圈点

  超导体的工作温度还能持续提高吗?赝能隙的研究为科学家打开了一扇新的大门。最新的这项研究揭示了赝能隙和超导体对电子的竞争:超导性需要电子,而赝能隙则吞进电子。这种竞争关系看似表明了一个浅显的道理:抑制一方,可让另一方更容易体现。然而赝能隙最本质的问题——“如何出现”的答案还隐藏在迷雾之中,因此不顾前提地抑制一方,也许会适得其反。毕竟科学要研究的不仅仅是其然,还有其所以然,这样才能更有效地转化科学成果。