科學家解謎銅氧化物高溫超導體量子機制

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 02 日 15:54 | 分類 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

銅氧化物是一種在常壓環境下超導臨界溫度高達 140K 的超導材料,但其中機制如何運作?這促使全球超導科學家投入研究。維也納工業大學物理學教授 Neven Barišić 團隊現在提出一系列非凡的新見解,也許能深刻改變我們對高溫超導材料的認知。



每個電子設備都存在電阻,但偏偏科學家發現了一種恰好可以零電阻傳導電流的材料,稱為超導體(superconductor),其兩個最重要的特性,是在特定溫度下呈現「零電阻」與「完全抗磁性」,而超導體電阻轉變為零時的溫度稱為「超導臨界溫度」,可依此再將材料分為低溫超導體和高溫超導體。

科學家下一步偉大科學突破,就是找出令人震驚無比的高溫超導材料,它們將帶來廣泛全新應用,包括磁浮列車、醫學成像技術等。

高溫超導體(High-temperature superconductors)也被稱做銅氧化物(cuprate)超導體,最早由瑞士物理學家卡爾·米勒、德國物理學家約翰內斯·貝德諾爾茨於實驗中發現;1987 年,台灣物理學家吳茂昆、朱經武發現釔鋇銅氧(YBCO)超導體(YBa2Cu3O7-δ Tc~92K),將超導臨界溫度提高到 90K 以上,不只突破過去液氮的 77K 溫度壁壘,也突破了自 1911 年後 70 多年的物理學研究瓶頸,一舉劃出低溫超導體與高溫超導體分水嶺。

但科學家真正的研究挑戰,是了解高溫超導體內部量子效應。

現在維也納工業大學物理學教授 Neven Barišić 團隊證明,銅氧化物中存有 2 種根本性質完全不同的載子(charge carrier),超導特性就取決於兩者之間微妙的相互作用:一種載子坐鎮在原子特定位置,只有當材料被加熱時才能移開;而另一種載子可以自由移動,從這個原子跳到另一個原子上,後者最終帶出超導特性。

Neven Barišić 解釋,固定載子與移動載子控制著材料系統,前者儼然充當「膠水」,將移動載子結合成庫柏對(Cooper pair),一旦配對,載子就會變成超導狀態,讓材料可以零電阻傳輸電流。

移動載子與固定載子必須有微妙的平衡,任何一方太少都無法順利配對,也就無法帶出超導特性。該團隊提出了銅氧化物逐步出現的現象,為尋找新超導體提供了新方向。新論文發表在《科學前緣》(Science Advances)期刊。

(首圖來源:維也納工業大學