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高溫超導體形成的秘密-電子袋

氧化銅超導結構。Credit: Nicolle R Fuller

氧化銅超導結構。Credit: Nicolle R Fuller

編譯/林宇軒

困惑了近三十年,高溫超導體超導現象的成因,有突破性的發現!
「希望藉著測試其他材料是否有相似的性質,能幫助我們找到更高溫的新超導材料!」第一作者賽巴斯丁博士說。

高溫超導體是未來極具應用潛能的科技新星,有機會運用於低電阻的輸電網路系統、下個世代的超級電腦以及磁浮列車等等,而超導體特殊性質究竟從何而來,這個問題終於在最近被科學家揭開神秘面紗,這將使高溫超導能運用於更廣泛的面向。

超導體是一種零電阻的導體,這樣特殊的性質能有很廣泛的應用,但由於科學家對這種性質的來源和起因還沒有足夠的了解,以至於要創造出新的、臨界溫度更高的超導體只能隨機地去選擇材料來測試,而沒有一個準則或原理來依循。劍橋大學的研究人員發現電子雲(電子在空間的分布類似一圈圈的漣漪)間互相作用所產生的電荷密度波(charge density waves或稱charge order)會在材料內部創造扭曲的「電子袋」,使得材料顯現出超導體的性質。這項研究成果發表在今年六月15日的《自然》期刊上。

傳統的低溫超導體在二十世紀初期第一次被發現,不過這類材料需要被冷凍到接近絕對零度(即0克爾文或攝氏-273度)才能有超導體的特殊性質。事實上,所謂的「高溫」超導體仍然至少需要降到138克爾文(攝氏-135度)的低溫才能產生超導現象,不過比起低溫超導的超導臨界溫度已經高上許多,也因此有更多應用的可能。

從1980年代中期高溫超導首度發現至今,已近三十年的時間,新的高溫超導體材料的發現仍有如隨機現象,儘管研究人員已經鑑定出加入某些原料可以製作出好的低溫超導,但高溫超導背後隱藏的秘密仍然沒有被解開,新高溫超導材料的發現完全沒有規律可循。

超導體傳導電流和一般電子元件一樣都是靠著電子的移動來傳輸,但不同的地方在於,超導體材料中負責導電的是結合緊密的「電子對」在導電。在電子移動的過程中,電子傾向於和另一個電子結合,並釋放出能量,當電子對形成後,就能夠平順地通過超導體的結構,這就是超導體沒有電阻的原因。只要溫度維持得夠低,電子對就能不受到任何限制地在超導體中持續移動下去。

傳統超導體運作的關鍵在於電子和材料晶格結構的交互作用。這些交互作用會產生一種像膠水般的作用將電子和電子黏在一塊兒,這種膠水般的作用其強度和超導現象的強度有關,當超導體所在環境的溫度提升,或是磁場強度被提升時,這種可以將電子和電子黏在一起的作用力就會減弱,電子對就容易被拆散,因此失去超導現象。

「其中一個問題在於我們不知道要如何尋找新的高溫超導材料,因為我們並不知道想創造出新的高溫超導材料,哪些原料是必要的?」第一作者,卡文狄希實驗室的賽巴斯丁博士(Dr. Suchitra Sebastian)如此說:「我們知道一定有某種膠水可以將電子黏在一起,但我們不知道那種膠水般的作用力究竟是什麼。」為了要解構出高溫超導的秘密,研究人員試著倒過來想這個問題:如果能了解材料在一般狀況下所具有的特性,他們或許就有機會了解超導現象的成因。

「我們嘗試要了解在電子和電子結合成對之前,材料內部有什麼樣的交互作用會發生,因為那些已經產生的交互作用必定有一個是造成膠水般作用力的原因。」賽巴斯丁博士說道,「一旦電子成對之後,我們就很難知道哪種作用力使得他們被黏合起來,不過如果我們可以破壞電子對,那就可以觀察電子可能的行為,也有機會可以了解超導現象從何而來。」

材料的超導性質傾向凌駕於其他性質之上,舉例來說,研究發現,如果在標準狀態(normal state)下是具有磁性的材料,那麼抑制它的磁性,就能讓材料產生超導的性質。「因此知道了超導材料的標準狀態是什麼,就能使超導材料的選擇有跡可循,而我們也將能夠知道哪些原料是一定要被優先考量加入材料中。」賽巴斯丁博士說。

為了要確定超導材料的標準狀態,先前的研究企圖用提高溫度來破壞電子對,而不是使用如這篇研究中用的強磁場,不過提高溫度破壞電子對的方法只得到了一些無法得出結論的實驗結果。若對超導材料施加極高的磁場,研究人員就能夠抑制銅酸鹽中的超導效應。因為銅酸鹽是一個良好的超導體,如果要抑制它的超導效應,就需要用上世界最強的磁場才能做到,大約是100特斯拉,這個強度約是地球磁場的一百萬倍。

這系列實驗終於能夠解開標準態下超導體材料中電子袋來源的謎團,而這個「電子袋」在低於臨界溫度後會成對的組合在一起,因而產生超導現象。科學家們原本認為電子袋會出現在材料中超導現象最強的地方,不過,這個用超強磁場所測得的最新實驗顯示了奇特的結果,推翻了原本的想法,在材料中會產生波動性的扭曲袋狀結構,像是疊疊樂以不同方向的排列交織在一起。

而這些結果指出了這個袋狀的電子分布會出現在材料中超導性質較弱的區域,這個電子袋的來源則是那個像是漣漪狀的電荷密度波。這些實驗結果說明了正是這樣的標準態,主導了銅酸鹽類高溫超導材料所展現出來的超導現象。

「希望藉著辨別與確認其他材料是否有相似的性質,能幫助我們找到更高溫的新超導材料,或許能有機會找出在室溫下也可以運作的超導體,這樣就會有極大極廣泛的運用!」賽巴斯丁博士說。

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