科学家们能完美地预测物质的导电和导电状态

时间:2020-02-29 20:31 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

科学家们能完美地预测物质的导电和导电状态

来自芝加哥大学的三位科学家对这些数据进行了分析,他们认为可能有一种方法可以制造出一种既能导电又能100%高效的材料——不会因为热量或摩擦而损失任何能量。

这一突破发表在2月18日的《物理评论B》杂志上,它为一种全新类型的物质提供了一个框架,这可能在现实世界中具有非常有用的技术应用。虽然这一预测是基于理论,但人们正在努力进行实验验证。

“我们开始试图回答一个非常基本的问题,看看它是否可能——我们认为这两个性质可能在一种材料中不相容,”合著者兼研究顾问、詹姆斯·弗兰克研究所(James Franck Institute)的化学教授、分子电子结构专家戴维·马齐奥蒂(David Mazziotti)说。“但令我们惊讶的是,我们发现这两种状态实际上在量子层面上纠缠在一起,因此相互加强。”

由于每年有不计其数的能源从输电线、发动机和机械中流失,科学家们渴望找到更有效的替代能源。“在许多方面,这是21世纪最重要的问题——如何以最小的损失产生和输送能量,”马齐奥蒂说。

我们已经知道超导体(一种可以永远导电且几乎零损耗的材料)存在了一个多世纪。但直到最近几年,科学家们才在实验室里成功地制造出一种类似的物质,这种物质可以在几乎零损耗的情况下传导能量,这种物质被称为激子凝聚。

但是超导体和激子凝聚体都是制造和保持功能的棘手材料,部分原因是科学家们不完全了解它们的工作原理,而且它们背后的理论也不完整。然而,我们确实知道,两者都涉及量子物理的作用。

芝加哥大学的研究生LeeAnn Sager开始思考这两种状态是如何在同一材料中产生的。Mazziotti的小组专门研究材料和化学物质的性质和结构,因此她开始将不同的组合插入计算机模型。她说:“我们研究了许多可能性,然后让我们吃惊的是,我们发现了一个地区,在那里两个国家可以共存。”

看起来,在正确的结构下,这两种状态实际上是纠缠在一起的——在这种量子现象中,系统之间是无形地联系在一起的。这对传统的两种状态无关的观点提出了挑战,并可能为双激子和费米子对凝聚开辟新的领域。

他们用一些高等数学证明,由于量子纠缠,双凝聚态在理论上甚至在肉眼可见的宏观尺度下也应该存在。

“这意味着这样的冷凝物可以在新材料中实现,比如双层超导体,”Sager说。

科学家们正与实验小组合作,看看能否在真实材料中实现这一预测。

博士后研究员、论文的第三作者Shiva Safaei说:“能够将超导性和激子凝聚物结合在一起,这对于电子、自旋电子学、量子计算等许多应用领域都将是惊人的。”“虽然这是第一步,但看起来非常有希望。”

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