奇异超导体中发现的惊人量子效应

时间:2019-11-23 06:26 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

奇异超导体中发现的惊人量子效应

  研究探索铁基材料的超导性是如何形成的。

  由普林斯顿大学研究人员领导的一个国际团队直接观察到高温含铁超导体中令人惊讶的量子效应。

  超导体是无电阻导电的,这使得超导体在远距离输电和许多其他节能应用中很有价值。传统的超导体只能在极低的温度下工作,但大约10年前发现的某些铁基材料可以在相对较高的温度下进行超导,这引起了研究人员的注意。

  究竟超导性是如何在铁基材料中形成的是一个谜,特别是因为铁的磁性似乎与超导性的出现相冲突。对铁基超导体等非常规材料的深入了解,可能最终为下一代节能技术带来新的应用。

  研究人员研究了杂质——即钴原子——加入铁基超导体时的行为,以探索超导性是如何形成和消散的。他们的发现为60年前的超导行为理论带来了新的见解。这项研究发表在本周的《物理评论快报》杂志上。

  

奇异超导体中发现的惊人量子效应

 

  由左至右:研究生Nana Shumiya、M. Zahid Hasan教授、博士后研究助理殷嘉欣和研究生蒋玉晓。信贷:自驾程

  普林斯顿大学(Princeton University)物理学尤金·希金斯(Eugene Higgins)教授m·扎希德·哈桑(M. Zahid Hasan)领导了这个研究小组,他说,加入杂质是了解超导体行为的一个有用方法。“这就像我们通过扔石头来探测湖水的波动一样,”他说。“超导特性对杂质的反应方式以量子级的细节揭示了它们的秘密。”

  一个被称为安德森定理(Anderson 's theorem)的长期存在的观点预测,尽管添加杂质会给超导体引入无序,但在许多情况下,它不会破坏超导性。该定理是由诺贝尔奖得主、普林斯顿大学物理学教授菲利普·安德森(Philip Anderson)在1959年提出的。但总有例外。

  Cobalt似乎是这些例外之一。与理论相反,钴的加入使铁基超导体失去了超导能力,变成了一种普通的金属,电流带着电阻流动,能量以热的形式浪费掉。

  到目前为止,还不清楚这是如何发生的。

  为了探索这一现象,普林斯顿大学的研究团队使用了一种被称为扫描隧道显微镜的技术来研究一种由锂、铁和砷组成的铁基超导体,这种技术能够成像单个原子。

  他们将以钴原子形式存在的非磁性杂质引入超导体,观察其行为。

  

奇异超导体中发现的惊人量子效应

 

  图像中心的红色峰值是由扫描隧道显微镜检测到的钴杂质。资料来源:普林斯顿大学哈桑研究小组

  研究人员在极低的温度下测量了大量样本,约为零下460华氏度(400华氏度),比外太空冷了近10华氏度。在这些条件下,研究人员定位并识别了晶格中的每个钴原子,然后直接测量它在原子局部尺度和样品的整体超导性能上的影响。

  为了做到这一点,研究人员在极低的温度下用原子水平的分辨率研究了超过30种不同浓度的晶体。“不能保证任何给定的晶体都能提供我们需要的高质量数据,”该研究的共同第一作者、研究生宋田·索尼娅·张(Songtian Sonia Zhang)说。

  经过大量的实验,研究小组发现,每个钴原子都有一个有限的局部影响,使一两个原子在离杂质较远的地方消失。然而,随着钴浓度的增加,从相变到正常的非超导状态会有一个强大的、系统的演化。通过引入更多的钴原子,超导性最终被完全破坏。

  超导性是由于两个电子的配对,形成一个单一的量子态所描述的性质称为波函数。这种配对使得电子可以快速穿过一种材料,而不像普通金属那样具有典型的电阻。散射电子并打破电子对所需的最低能量称为“超导能隙”。

  当加入钴原子时,散射强度可以用两种方式来描述:强(或幺正)极限和弱(或玻恩)极限。玻恩极限散射,以物理学家马克思·玻恩的名字命名,其干扰电子波函数的能力最弱,而电子波函数对电子-电子相互作用和电子配对至关重要。

  通过取代铁原子,钴原子表现为极限散射体。虽然极限散射体具有破坏超导性的相对微弱的潜力,但当许多散射体结合在一起时,它们可以破坏超导性。

  研究人员发现,对于砷化铁锂材料,在玻恩极限的散射显然能够违反安德森定理,导致从超导态到非超导态的量子相变。

  超导材料可以用隧穿谱来描述,隧穿谱描述了电子在材料中的行为,并作为电子的能量分布剖面。砷化铁锂材料具有所谓的“s波”隙,其特征是超导能隙底部呈“u”形。完全打开的超导间隙表明超导材料的质量。

  令人惊讶的是,钴杂质不仅抑制了超导性,还改变了间隙的性质,使之从u型转变为v型。超导隙的形状通常反映了描述超导性质的“序参量”。这样的形状是有序参数的特征,它只出现在特定数量的高温超导体中,并暗示着极端非常规的行为。

  通过改变序参量(例如,通过改变超导隙的形状在测量中反映出来)的表观变换只会增加量子之谜。

  这种进化是不寻常的,促使研究人员深化了他们的研究。通过理论计算和磁性测量相结合,他们能够确认钴的非磁性散射。

  由于安德森定理指出非磁性杂质对这类超导体的影响应该很小,研究人员意识到必须开发一种替代理论。

  在铁基超导体中,科学家们推测,在不同的“费米口袋”中,超导序参量的相位发生了符号变化。费米口袋是根据电子占据晶体结构的规则而形成的。

  “很天真地,区分传统的超导性和改变信号的超导性需要超导序参量的相敏测量,这是极具挑战性的,”哈桑小组的博士后研究员、该研究的合著者伊利亚·贝洛波斯基(Ilya Belopolski)说。“我们实验的一个美妙之处在于,通过考虑违反安德森定理的情况,我们可以绕过这个要求。”

  事实上,研究小组发现,通过在超导性的序参量中引入这种符号变化,他们能够重现钴杂质的奇怪演化。除了这些初步的计算,研究小组还采用了另外三种最先进的理论方法来证明非磁性钴散射体对这种改变信号的超导体的影响。

  “三个不同的理论模型都指向同一个解释,这一事实表明,这是一个有力的结论,”该研究的另一位第一作者、博士后研究助理殷嘉欣(音)说。为了解开超导之谜,人们开发了各种复杂的模型,但这些模型并不总是一致的。在这种情况下,Yin说,“与模型无关的结果毫不含糊地确定这是一种改变信号的奇异超导体,安德森的工作最初没有考虑到这一点。”

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