科學家發現超導體作用新機制，稱太過高深無法用語言形容

金屬鑭、銅、鍶氧化體系對大多數人或許沒什麼特殊的概念與價值，但對於物理學家而言，它可能是一把開啟未來高溫超導應用寶藏的鑰匙，從而掀起一場全新的技術革命。近日，來自美國的科學家們利用銅酸鹽這種神奇的材料發現了超導研究背後的機制，為未來超導技術的應用向前推進了重要一步。

高溫超導體（HTS）並非上千上萬攝氏度下的超導材料，而是指在液氮溫度（77 K、-196℃）以上發揮超導作用的材料。與常規的低溫超導體不同，高溫超導材料大都由某些元素組合而成（通常包含銅氧化物），這些元素的微觀排列特徵使得電荷在震動的晶格中自由移動。

如何進一步不斷提升高溫超導體的應用溫度界限是當前科學界的重要議題，然而除此之外，超導體的內在運作機制對科學家而言亦是霧裡看花，知之甚少。近日，來自美國佛羅里達州立大學國家高磁場實驗室的一個研究小組發現了一個有趣的巧合，或許可以指出超導現象背後的機制。

在大多數金屬中，電子與晶體點陣環境中的其他粒子相互作用，形成准粒子（凝聚態物理量子能）。准粒子的概念，是Landau在他的流體量子理論中首先引入的，這是固體量子理論的重要概念，已逐漸發展為元激發物理。

准粒子不僅僅是電子與各粒子的總和，還兼具有普通電子的所有特徵，並存在一些調整。准粒子可用於解釋電荷如何在超導體中零阻力的移動，所以深入了解准粒子所處狀態的更多信息是解決超導體背後機制重要途徑。

銅酸鹽超導體系是一類典型的HTS，將其製成薄片夾在其他材料之間有助於「摻雜」導電層。在合適的溫度下，這種組合材料表現出了非同尋常的奇怪特性。其怪異之處來自於溫度下降與其振動原子所製造阻力間的關係。

對於大多數金屬，隨著溫度的升高，內部阻力也呈線性增長，而在較低的溫度下則會偏離這一線性關係。銅酸鹽並非如此，儘管將其置於超低溫的超導區域內，阻力和溫度之間線性關係仍然存在。

美國研究人員開始對材料電阻與周圍磁場強度B之間的關係產生濃厚興趣。科學家將一塊鑭鍶銅氧化物放入高達80特斯拉的磁場中（比醫院核磁強50多倍），出乎意料地發現了阻力與磁場強度間的線性關係。物理學家Arkady Shekhter表示，實驗與阻力-溫度間的極大相似之處不大可能是純粹的巧合，這背後或許是一個非常簡單的原理。

這一實驗結果恰恰表明了電子行為的相關性，電子行為的相關性又排除了獨立准粒子的任何作用，這意味著鑭鍶銅氧化物這類HTS與典型的電導率明顯不同。但看學家也表示，現有的科學語言無法對其提供準確的描述，未來應該採用新的方法構建諸如此類的超導材料。

無論如何，超導世界正在向我們一步步走來…

該研究發表在《Science》上

文/朱張航宇

參考文獻：Scale-invariant magnetoresistance in a cuprate superconductor, Science, 03 Aug 2018:Vol. 361, Issue 6401, pp. 479-481 DOI: 10.1126/science.aan3178

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