重磅！高溫超導機制探索最新進展──鈦酸鍶

超導材料的一個奇特性質是它們排斥磁場，從而導致磁體浮起，如圖所示

直到大約50年前，所有被發現具有超導現象的材料都是金屬。 這也不無道理，因為金屬中存在大量可作為載流子的自由電子，它們可以自由配對併流動形成電流，而超導性的標誌就是電子漂移無阻抗，導電效率百分之百。

接著一種全新的的材料—鈦酸鍶出現了，它是第一種被發現具有超導性的半導體氧化物材料。 通常情況下，它不具有超導體的典型特徵，幾乎沒有可自由移動的電子，但當條件合適時，它可轉變為超導體，遺憾的是，沒人能解釋其中緣由。

近期，科學家們開始詳細研究鈦酸鍶的超導行為。他們發現了比預想中更為怪異的現象。對他們而言，這是個好消息，因為這為他們一個研究「高溫」超導性提供了一個新角度，並為未來下一代高效輸電線、懸浮列車和其他革命性技術的發展提供了突破的契機。

致力於該項工作的研究團隊由美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學的科學家領導，並於1月30日將他們的研究成果發表在美國國家科學院院刊上。

阿德里安斯沃茨是斯坦福材料與能源科學研究所(SIMES)的一名博士後研究員，與其帶領研究生Hisashi Inoue一起進行該項工作的實驗部分，他說：「以光譜來表徵的話，若傳統的金屬超導體處於光譜的一端，那麼鈦酸鍶則會處於光譜另一端的最極端處，它是我們所了解的任何超導體中自由電子密度最低的。

鈦酸鍶只是眾多所謂"非傳統"超導體的材料之一，由於目前的理論還無法解釋這些超導體的超導機理，我們希望通過研究其極端行為，從內部深入了解引發超導性的緣由，這其中就包括在高溫超導現象。」

關於超導機制，目前最為廣泛接受的是BCS理論（命名於理論提出者的姓名首字母）。根據BCS理論，常規超導性是由材料的晶格原子自然振動而引發的，晶格振動導致載流電子配對並凝結成超流體，流體穿過材料沒有任何電阻，沒有任何電損耗。理想的超導材料中含有高密度快速移動的電子，甚至很微弱的晶格振動足以將電子對粘合在一起。但是跳出BCS理論，在非傳統超導體領域，沒有人知道將電子對粘合在一起是什麼，也沒有任何人提出對應的理論。

Harold Hwang是斯坦福斯坦福材料與能源科學研究所該研究團隊的一名教授，他說：「為了找到鈦酸鍶超導行為的材料內部線索，科學家們必須弄清楚如何將隧穿譜這一重要的工具應用於研究這種材料的超導行為， 為此，我們進行了幾年時間的準備。其實十幾年來我們一直想做這個實驗，這是一個技術性難題， 據我所知，這是從這個材料的隧道實驗中得到的第一套完整的數據。 除此之外，通過實驗我們的團隊還能夠觀察到對材料摻雜時其內部發生的反應。此外，隧穿譜實驗表明，鈦酸鍶與我們所期望的的超導體性質完全相反：它的晶格振動十分強烈，內部載流電子極少，電子遷移速度很慢。這是一個完全顛倒的系統。」

Swartz補充道：「然而在電子的行為和密度以及形成超導態所需的能量等細節方面，鈦酸鍶幾乎都與期望的傳統BCS理論相匹配。因此，鈦酸鍶似乎是一種在某些方面與傳統的超導體相似的非常規超導體，對於我們而言，這是一個難題也是一種機遇，我們發現了一些比我們原先想像的更反常的東西，從基礎物理學的角度來看，它意義深遠。如果我們能夠了解這種令人困惑的超導電性機制，我們就可以學習如何在較高溫度下實現超導電性成分的收集。」

他說：「我們的下一步工作是使用隧穿譜學來測試一些關於鈦酸鍶個高溫超導電性的預測理論。」

文章來自phys.org，原文題目Weird superconductor leads double life，由新材料科技團隊在線整理編輯。

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