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旧理论的确认导致了超导体科学的新突破

Harvard / Argonne团队清除了几十年前关于高温超导体中反向霍尔效应的谜团。

当物质从固态,液态或气态变为不同状态时,如冰融化或蒸汽冷凝,就会发生相变。在这些相变期间,系统可以同时显示两种物质状态的属性。当正常金属转变为超导体时会发生类似的效应 - 特征波动,预期属于一个状态的特性进入另一个状态。

哈佛科学家开发出一种基于铋的二维超导体,其厚度仅为1纳米。通过研究这种超薄材料在转变为超导性时的波动,科学家们深入了解了更广泛地推动超导性的过程。因为它们可以承载具有接近零电阻的电流,因为它们得到改进,超导材料几乎可以应用于任何使用电的技术。

哈佛科学家利用这项新技术,实验证实了美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家Valerii Vinokur开发的一种有 23年历史的超导体理论。

科学家感兴趣的一个现象是当材料转变为超导体时,完全逆转了经过充分研究的霍尔效应。当普通的非超导材料承载所施加的电流并经受磁场时,在材料上感应出电压。这种正常的霍尔效应具有指向特定方向的电压,这取决于场和电流的方向。

有趣的是,当材料成为超导体时,霍尔电压的符号会反转。的“材料的正”端变为“负”,这是一个众所周知的现象。虽然霍尔效应长期以来一直是科学家用来研究使材料成为良好超导体的电子特性类型的主要工具,但这种反向霍尔效应的原因对于科学家来说仍然是神秘的,特别是在高 - 温度超导体效果更强。

在 1996年,理论家Vinokur,一个阿贡特聘研究员和他的同事提出的在高温超导体这种效果(及以上)的综合描述。该理论考虑了所涉及的所有驱动力,并且它包括许多变量,实验性地测试它似乎是不现实的 - 直到现在。

“我们相信我们已经真正解决了这些问题,” Vinokur说, “但是计算公式的时候觉得没用,因为它们包含一些很难用那么存在的技术实验来比较的参数。”

科学家们知道反向霍尔效应是由磁场中的超导材料中出现的磁性涡旋产生的。涡流是超导电子液体中的奇点 - 库珀对 - 库珀对围绕其流动,产生循环超导微电流,在材料中的霍尔效应物理学中带来新特征。

通常,材料中的电子分布导致霍尔电压,但是在超导体中,涡流在施加的电流下移动,这产生电子压力差,其在数学上类似于使飞机保持飞行的那些。这些压力差改变了施加电流的过程,就像飞机的机翼改变了经过的空气的路线一样,提升了飞机。涡旋运动以不同方式重新分配电子,将霍尔电压的方向改变为与通常的纯电子霍尔电压相反的方向。

在 1996年 理论定量描述这些涡流,其仅被定性理解的影响。现在,随着哈佛大学科学家开发五年的新材料,该理论得到了测试和证实。

基于铋的薄材料实际上只有一个原子层厚,使其基本上是二维的。它是同类产品中唯一的一种薄膜高温超导体; 单独生产材料是超导科学的技术突破。

“通过将尺寸从三个减少到两个,材料中的特性波动变得更加明显,更容易研究,”哈佛大学的首席科学家Philip Kim说。“我们创造了使我们能够定量地解决了材料的极端形式 1996年 的理论。”

该理论的一个预测是异常反向霍尔效应可能存在于材料是超导体的温度之外。该研究提供了与理论预测完全匹配的效果的定量描述。

“在我们确定涡旋效应在反向霍尔效应中起作用之前,我们无法可靠地将其用作测量工具,”Vinokur说。“现在,我们知道我们是正确的,我们可以用理论来研究在过渡阶段的所有因素,最终导致更好地了解超导体的。”

尽管本研究中的材料是二维的,但科学家认为该理论适用于所有超导体。未来的研究将包括对材料的深入研究 - 涡旋的行为甚至可以应用于数学研究。

Vortices是拓扑对象或具有唯一几何属性的对象的示例。它们目前是数学中的热门话题,因为它们形成和变形的方式以及它们如何改变材料的属性。在 1996年 使用的拓扑描述旋涡的行为理论,物质的拓扑性质可能携带了大量新的物理学。

“有时候,你会发现一些新的和异国情调,” Vinokur有关研究说,“但有时你确认你做什么,毕竟了解的每一天的事情,就在你面前的行为。”