高温超导机制探索最新进展──钛酸锶

	高温超导机制探索最新进展──钛酸锶
	超导材料的一个奇特性质是它们排斥磁场，从而导致磁体浮起。　　直到大约50年前，所有被发现具有超导现象的材料都是金属。这也不无道理，因为金属中存在大量可作为载流子的自由电子，它们可以自由配对并流动形成电流，而超导性的标志就是电子漂移无阻抗，导电效率百分之百。　　接着一种全新的的材料—钛酸锶出现了，它是第一种被发现具有超导性的半导体氧化物材料。通常情况下，它不具有超导体的典型特征，几乎没有可自由移动的电子，但当条件合适时，它可转变为超导体，遗憾的是，没人能解释其中缘由。　　近期，科学家们开始详细研究钛酸锶的超导行为。他们发现了比预想中更为怪异的现象。对他们而言，这是个好消息，因为这为他们一个研究“高温”超导性提供了一个新角度，并为未来下一代高效输电线、悬浮列车和其他革命性技术的发展提供了突破的契机。　　致力于该项工作的研究团队由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家领导，并于1月30日将他们的研究成果发表在美国国家科学院院刊上。　　阿德里安斯沃茨是斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)的一名博士后研究员，与其带领研究生Hisashi Inoue一起进行该项工作的实验部分，他说：“以光谱来表征的话，若传统的金属超导体处于光谱的一端，那么钛酸锶则会处于光谱另一端的最极端处，它是我们所了解的任何超导体中自由电子密度最低的。　　钛酸锶只是众多所谓’非传统’超导体的材料之一，由于目前的理论还无法解释这些超导体的超导机理，我们希望通过研究其极端行为，从内部深入了解引发超导性的缘由，这其中就包括在高温超导现象。” 　　关于超导机制，目前最为广泛接受的是BCS理论（命名于理论提出者的姓名首字母）。根据BCS理论，常规超导性是由材料的晶格原子自然振动而引发的，晶格振动导致载流电子配对并凝结成超流体，流体穿过材料没有任何电阻，没有任何电损耗。理想的超导材料中含有高密度快速移动的电子，甚至很微弱的晶格振动足以将电子对粘合在一起。但是跳出BCS理论，在非传统超导体领域，没有人知道将电子对粘合在一起是什么，也没有任何人提出对应的理论。　　Harold Hwang是斯坦福斯坦福材料与能源科学研究所该研究团队的一名教授，他说：“为了找到钛酸锶超导行为的材料内部线索，科学家们必须弄清楚如何将隧穿谱这一重要的工具应用于研究这种材料的超导行为，为此，我们进行了几年时间的准备。其实十几年来我们一直想做这个实验，这是一个技术性难题，据我所知，这是从这个材料的隧道实验中得到的第一套完整的数据。除此之外，通过实验我们的团队还能够观察到对材料掺杂时其内部发生的反应。此外，隧穿谱实验表明，钛酸锶与我们所期望的的超导体性质完全相反：它的晶格振动十分强烈，内部载流电子极少，电子迁移速度很慢。这是一个完全颠倒的系统。” 　　Swartz补充道：“然而在电子的行为和密度以及形成超导态所需的能量等细节方面，钛酸锶几乎都与期望的传统BCS理论相匹配。因此，钛酸锶似乎是一种在某些方面与传统的超导体相似的非常规超导体，对于我们而言，这是一个难题也是一种机遇，我们发现了一些比我们原先想象的更反常的东西，从基础物理学的角度来看，它意义深远。如果我们能够了解这种令人困惑的超导电性机制，我们就可以学习如何在较高温度下实现超导电性成分的收集。” 　　他说：“我们的下一步工作是使用隧穿谱学来测试一些关于钛酸锶个高温超导电性的预测理论。”