研究发现磁性可以帮助电子在高温超导体中消失
在寻找更有用的超导体的过程中,文理学院(A&S)Dick & Dale Reis Johnson物理学助理教授Ramshaw及其同事发现,磁性是理解"高温"超导体中电子行为的关键。有了这一发现,他们已经解开了围绕这类超导体30年的谜团,这类超导体在更高的温度下发挥作用,比绝对零度高100多度。他们的论文《杯状超导体伪隙临界点的费米表面转变》于2022年3月10日发表在《自然-物理学》上。
"我们想了解是什么让这些高温超导体发挥作用,并将这种特性设计到其他一些更容易被技术采用的材料中,"Ramshaw说。高温超导体的一个核心奥秘是它们的电子会发生什么。"所有的金属都有电子,当一种金属成为超导体时,电子会相互配对。我们测量了一种叫做'费米表面'的东西,你可以把它看作是一张显示金属中所有电子位置的地图。"
为了研究电子如何在高温超导体中配对,研究人员通过一个被称为化学掺杂的过程不断改变电子的数量。Ramshaw说,在高温超导体中,在某个"临界点",电子似乎从费米表面图中消失了。
研究人员将目光锁定在这个临界点上,以弄清是什么让电子消失的,以及它们去了哪里。他们使用世界上最强的稳态磁铁,即位于佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室的45特斯拉混合磁铁,来测量铜-氧化物高温超导体的费米表面,作为电子浓度的函数,就在临界点附近。
他们发现,当研究人员拨过临界点时,费米表面完全改变。"这就好像你在看一张真实的地图,突然间大部分大陆都消失了,"Ramshaw说。"这就是我们发现高温超导体的费米表面在临界点发生的情况--一个特定区域的大部分电子在地图的一个特定部分突然消失了。"
Ramshaw说,对研究人员来说,重要的是不仅要注意到电子正在消失,而且要注意到哪些电子正在消失。
物理学博士生、论文第一作者Yawen Fang说,他们根据几种理论建立了不同的模拟模型,并测试它们是否能解释数据。"最后,我们获得了一个模型,这是与磁性相关的模型,"Fang说。"我们正自信地从材料中被充分理解的一面,以我们的技术为基准,步入过了临界点的神秘一面。"
现在他们知道了哪些电子会消失,研究人员有了一个想法--它与磁性有关。
Ramshaw说:"一直以来都有暗示,在高温超导体中,磁性和超导性是相关的,而我们的工作表明,这种磁性似乎就在临界点出现,并吞噬了大部分的电子。这个临界点也标志着在最高温度下发生超导性的电子浓度,而更高温度的超导体是这里的目标。"知道临界点与磁性有关,就能深入了解为什么这些特定的超导体具有如此高的转变温度,甚至可能在哪里寻找具有更高转变温度的新超导体。
康奈尔大学Kavli研究所纳米科学博士后、共同第一作者Gaël Grissonnanche说:"这是一个在我们的研究之前已经存在了30年的辩论,而我们得出了一个直接的答案。"
关键词: 科学探索 研究发现磁性可以帮助电子在高温超导体中消失
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