科學家找到優化超導材料的新方法

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【大紀元2021年11月29日訊】(大紀元記者高文森編譯報導)鎳酸鹽是新的一類前景很好的超導體材料。維也納工業大學(Vienna University of Technology)的研究人員找到辦法,終於可以用理論模型描述這種材料內部的電子結構,從而進行大量的研究計算,不斷優化材料特性。

即使經過了三十多年的研究,高溫超導材料仍然是材料物理學領域的一大難題。究竟是什麼機制促使某一種材料出現超導狀態,科學家並不明確,很多研究是基於不斷的嘗試和運氣。

至今科學家嘗試了很多超導材料,比如好幾年前,銅酸鹽是熱門的材料;近兩年,鎳酸鹽比較熱門。不管是什麼材料,科學家知道都需要非常低的溫度才能激發它們的超導特性,要接近絕對零度(零下273攝氏度左右)。

研究人員取得一些進展實現的所謂「高溫超導」,也需要零下200多攝氏度的低溫,相對室溫來說仍然是非常低的溫度,只是相對於零下273度那樣的絕對低溫,條件已經放寬了許多,所以叫做高溫超導。

不斷優化超導材料,比如提高實現超導的溫度(也叫超導臨界溫度),是研究人員要長期面對的工作。現在已經有了一些理論模型,能夠描述超導體的特性,並使用電腦計算輔助研究。

即使有了這些模型,還必須知道每一種特定材料最重要的參數值才能進行計算,可是這很難。對於鎳酸鹽來說,「電荷轉移能」這個參數就很重要。維也納工業大學物理學教授庫內什(Jan Kuneš)解釋說:「這個參數告訴我們,需要向系統增加多少能量,才能把一個電子從鎳原子轉移到氧原子上。」

麻煩的是,這個數值無法直接測量到,所以用理論模型進行的各種運算變得太複雜且不準確。

這份研究找到方法間接地測到了這個參數:當研究人員用X光照射材料的時候,其光譜成分的變化取決於「電荷轉移能」並對其相當敏感。所以,研究人員通過對X光照射的結果進行測量和計算,間接地得出「電荷轉移能」這個參數值。

研究人員把得到的「電荷轉移能」參數代入他們的理論模型,得到一個很準確的計算模型。「有了這個模型,我們可以從電子層面瞭解超導材料的工作機制。」庫內什說,「比如,哪些軌道起到決定性作用?那些參數會影響細節?這些問題都是優化超導材料需要回答的問題。有了這個模型,將來我們就可能造出超導臨界溫度提高很多的鎳酸鹽超導新材料。」

這份研究10月13日發表於《物理評論X》(Physical Review X)。◇

責任編輯:葉紫微

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