科技日報訊 最近，一個由德國馬克斯·普朗克物質(zhì)結構與動力學研究所領導的國際研究小組經(jīng)過一年的實驗，借助短紅外激光脈沖在一種陶瓷材料上成功實現(xiàn)了室溫超導——雖然只有百萬分之幾微秒。這一發(fā)現(xiàn)有助于開發(fā)新型高溫超導材料，并發(fā)現(xiàn)這些材料的新用途。相關論文發(fā)表在最近的《自然》雜志上。

 

據(jù)物理學家組織網(wǎng)12月4日報道，馬克斯·普朗克研究員安德烈·卡弗拉里與來自法國、瑞士等國家的科學家合作，發(fā)現(xiàn)用紅外激光脈沖照射一種叫做釔鋇銅氧化物（YBCO）的晶體時，它在室溫下（300K）短暫地顯出了超導性。他們認為，是激光脈沖使晶格中的原子出現(xiàn)了暫時改變，從而提高了材料的超導性。

 

最初，超導只是在接近絕對零度（-273℃）時少數(shù)金屬中出現(xiàn)的現(xiàn)象，到上世紀80年代，物理學家發(fā)現(xiàn)了一類新的基于陶瓷的材料，能在零下200℃左右無阻導電，稱之為高溫超導體。其中YBCO在技術應用上最有前景，有望用在超導電纜、發(fā)動機、發(fā)電機等方面。

 

YBCO晶體的結構很特殊：薄的氧化銅雙層和厚的含鋇銅氧層交替層疊。超導性就來自氧化銅雙層，這里的電子能結合成“庫伯對”，在各層間形成隧穿，就像幽靈穿過墻壁，這就是典型的量子效應。但晶體只在低于臨界溫度時才出現(xiàn)超導，那時庫伯對才能通過厚的中間層，在各個薄的雙層間隧穿。在臨界溫度以上，厚層中的庫伯對就會消失，使導電性變得很小。

 

研究人員發(fā)現(xiàn)，激光明顯改變了晶體中各雙層間的耦合，但其確切機制還不清楚。“我們向晶體發(fā)射紅外脈沖，激發(fā)了特定的原子振蕩。”論文第一作者、馬克斯·普朗克物理學家羅曼·曼考斯基說，“隨后，我們很快用短X射線脈沖檢測了受激晶體的精確結構。”結果發(fā)現(xiàn)，紅外脈沖不僅激發(fā)了原子振蕩，而且改變了它們在晶體中的位置。這種短暫的沖擊讓二氧化銅雙層變得更厚——變厚了2皮米，一個原子直徑的百分之一，而雙層間的厚層變薄了同樣數(shù)量。這提高了雙層間的量子耦合能力，使晶體能在室溫下出現(xiàn)幾皮秒的超導。

 

直到目前，超導磁體、發(fā)動機和電纜還必須用液氮或液氦制冷到極低溫度。如能省掉復雜的制冷程序，將是這項技術的重大突破。曼考斯基說，一方面，新發(fā)現(xiàn)有助于改進尚不完善的高溫超導理論。“另一方面，它能幫助材料科學家開發(fā)出臨界溫度更高的新型超導體，最終實現(xiàn)無需制冷的高溫超導夢想。”