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科學家利用雷射催生室溫超導體

上網時間: 2014年12月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:超導體  室溫  雷射  美國國家加速實驗室  材料 

超導體(superconductor)技術升溫!正與美國國家加速實驗室(National Accelerator Laboratory)合作的一個跨國工程師團隊,發現雷射能在140°F (60℃)溫度下建立超導條件,如果研發順利,從電力供應網路到可攜式電子產品等任何東西,都有可能在運作速度大幅提升的同時又不會有發熱的問題。

自從德國物理學家Heike Kamerlingh Onnes在1911年發現超導現象之後,世界各國的科學家、研究人員與工程師們都期望能找到製作室溫超導體的方法;數年來,許多材料都被發現能在較高溫度下產生超導電性,不然就是需要降低到90凱氏(Kelvin)溫度(-297°F / -183℃)。

而現在位於美國加州的SLAC (原名為史丹佛線性加速實驗室)國家加速實驗室的研究人員,發現利用雷射能稍微移動原子的位置,建立臨時性的校準(alignment),以產生具備超導電性的皮秒脈衝(picosecond pulse);現在研究人員正在尋找延長該脈衝的方法。

來自德國馬克斯普朗克協會物質結構與動態研究所(Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter)的Roman Mankowsky表示:「我們的目標應該是將該皮秒脈衝擴展為直流(DC),才能將它推向實際應用;」他表示,利用其他材料已經可能利用光學脈衝將絕緣體切換為金屬態(metallic state)。

經過了長達一世紀的研究,科學家仍然在爭論為何超導體具備零電阻;而上述成員來自德國、瑞士、法國、英國等地數所大學與研究機構的研究團隊,正在實驗材料晶格內原子的相位校準。Mankowsky指出:「我們最樂觀的預期,是能了解如何建立穩定的室溫超導體,而且在這種不均衡狀態下,不需要來自結構修正的任何雷射激發以及其他競爭相位的動力。」

雷射能讓常見的釔鋇銅氧化物高溫超導材料內的氧原子(紅色),在僅兩個分子厚度的氧化銅(藍色)之間振動,因此產生超導電性
雷射能讓常見的釔鋇銅氧化物高溫超導材料內的氧原子(紅色),在僅兩個分子厚度的氧化銅(藍色)之間振動,因此產生超導電性
(來源:Jorg Harms,Max Planck Institute for the Structureand Dynamics of Matter)

研究人員以雷射校準釔鋇銅氧化物(yttrium barium copper oxide,YBCO)高溫超導體的晶格結構,然後觀察到利用SLAC實驗室直線加速器同調光源(Linac Coherent Light Source,LCLS)的X光進行之晶格校準所導致的原子實際位置變化,其中銅與氧原子的位置移動,產生了呈現超導電性的完美相位校準皮秒脈衝。

Mankowsky表示,這個實驗所跨出的一大步,是發現了能解釋非線性晶格效應(nonlinear lattice effects)的理論,且與實驗結果非常吻合;研究人員能利用該理論來判定能透過不同激發(excitation)與材料所能達成的特定晶格變化,來設計新的實驗。

大致說來,Mankowsky對於利用這種非線性晶格控制技術,找到切換材料之宏觀狀態(macroscopic state)的方法非常有興趣──這種方法能應用在資料儲存或電子元件相關應用。不過在達成DC運作以及實際應用之前,研究人員還需要了解如何延長雷射所產生的皮秒等級超導狀態,並讓材料在不需要過度冷卻的情況下保持穩定狀態校準。

要達成以上目標,研究人員需要拓展其理論並小心觀察材料的不同相位;他們已經著手進行一系列不同高溫超導體的量測實驗。Mankowsky表示,在實驗之後,研究團隊正在尋找對該狀態有更深入了解、並讓狀態維持更長時間的方法。

「在銅氧化物材料(例如YBCO)中會有一些競爭次序(competing order),例如電荷密度波(charge density wave)次序;而我們仍不能完全掌握虛能隙(pseudogap,只會在特定條件下展開的能隙)是否會是影響因素之一。」Mankowsky表示,研究團隊正在設計相關實驗,以了解那些競爭次序的動態。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Researchers Superconduct at 140 Degrees,by R. Colin Johnson)





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