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高溫超導研究的新突破

上網時間: 2005年10月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:高溫超導體  超導體  超流體  麻省理工學院  MIT 

隨著過去一年對超低溫超流體氣體實驗研究的快速進展,物理學家們相信他們很快就可以揭開高臨界溫度超導電性的神秘面紗。

一年前,三個實驗物理學小組聲稱他們在構建一種類電子氣體(該物質中所有原子共享相同的量子態)的研究中取得了突破。當金屬中的電子從常態躍遷到超導流時會發生同樣的情況,此時電阻完全消失。而氣體實驗的困難在於無法確定這種「費米氣體」是否是一種沒有阻抗的超流體。

麻省理工學院(MIT)超冷原子中心的研究小組所完成的實驗清晰地揭示了這種費米氣體的本質。該實驗系統中僅含有300萬個冷卻到50 nanoKelvin的鋰離子,並使用雷射減緩它們的運動。由於原子更重一些,同時在導體中它們的相互作用距離較電子更遠,因此相應的電子系統在超過室溫的條件下就可以形成超流體。

完成此項實驗成員之一的Christian Schunck表示:「超導電性對於帶電粒子而言就是超流體特性,如同金屬中的電子一樣。氣體原子中的超流體性只能在玻色-愛因斯坦凝聚體的範圍內觀察到」。Schunck指出,原始實驗於1995年在MIT和科羅拉多大學獨立完成,實驗觀察到了凝聚在單量子態的超冷原子,正如玻色-愛因斯坦凝聚體所預期的,但愛因斯坦從沒真正看到過。

「與上述實驗相比,當前我們所觀察到的不同之處在於:這是在強相互作用的費米子鋰原子氣體中的高溫超流體,這就是我們的主要成就」,Schunck表示。

隱藏在玻色-愛因斯坦凝聚背後的基本物理原理是具有整數量子「自旋」的玻色子粒子性能──當其速度足夠慢且溫度非常接近於絕對零度時能夠共享相同的量子態。

相對而言,電子只屬於費米子中的一小類粒子,且不具備整數自旋(半整數自旋)。費米子能在低溫下通過配對進入超流態,因而每個配對的自旋具有整數性。當上述條件具備時,配對的費米子就呈現出玻色子的特性,即可以共享相同的量子態且不具阻抗。

接下來的問題是高臨界溫度下陶瓷超導體中的電子是如何實現無阻抗流動的,MIT的最新實驗是否顯示超流體的費米氣體可能代表了高臨界溫度下的超導電性實質。

「超導體中的電子同樣是費米子,它們也是成雙成對的。這就是對氣體高溫超流體的觀察與高溫超導電性密切相關的原因」,Schunck指出,「對於高溫超導體而言配對的宏觀物理學並不容易理解。透過我們的系統對高溫超流體的研究,我們希望能夠獲得對這種物理現象更加合理的解釋」。

費米子氣體系統的一個有用之處是可以在鋰原子之間平滑地改變配對的濃度。配對由一個振動磁場來實現,並且可以通過改變場強來調節。松散耦合的原子能夠模擬低溫超導電性,隨著耦合的不斷加強,就能夠由氣體的增加而模擬相應的電子群「溫度」。

在較低場強條件下,鋰原子被牢固地配對為類似玻色子的粒子,從而建立起一個玻色-愛因斯坦凝聚體的精確模型。這種情況同樣適用於高溫超流體,這就意味著利用該系統經過進一步研究,人們可以揭示高溫超導電性的本質。

自去年首次實現對費米氣體的觀察後,MIT的研究小組已轉而強化其基本技術。研究人員首先需要為氣體建立一個精密球體,利用雷射在真空中限制原子,接下來就是尋找一種方法為球體提供角動量。採用一種特殊的雷射光束來「晃動」原子團被證明是一個行之有效的方案。

與常態物質相比,超流體的臨界特性使之無法實現自旋。在一個自旋系統中,單個原子隨著速度的不同而具有各異的路徑,這就使得它們無法實現共享相同的量子態。超流體透過形成一維的單一性來吸收動能,這種類似線狀的漩渦彼此抵消從而形成一種清晰規則的模式。

最後,研究小組還需要找到某種方法來對單一性模式進行成像。這一過程要在瞬間完成,以適應場強迅速增大時氣體的膨脹。兩個物理過程允許在配置不變下煙霧能夠擴大。在漩渦的規則晶格下可以觀察明晰的訊號,並確定原子團的超流體狀態。

1995年由JILA研究院建構的第一個玻色-愛因斯坦凝聚體含有大約2,000個銣原子,僅數月後,由Wolfgang Ketterle領導的MIT冷原子中心也獨立地實現一個玻色-愛因斯坦凝聚體。1997年JILA的Eric Cornell和Carl Wieman以及MIT的Ketterle以上述成就共同獲得了諾貝爾物理獎。

去年由MIT的Ketterle、University of Innsbruck的Rudolf Grimm以及JILA的Deborah Jin領導下的三個研究小組實現了透過耦合費米原子建立的凝聚體。

建構超流體原子氣體的精密實驗技術可能實現高溫超導領域的突破。最可能的用處將是在相互作用的光場來建立能夠觀察導體內部電子的物理等價的原子晶格。

如果研究人員能夠建立接近於類似系統的模型,他們最終將揭示這種至關重要的電子現象的本質並使之應用於廣泛的實踐當中。

(Chappell Brown)





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