科学家证实铋系超导体是真的,获得诺贝尔奖理论受到挑战

2016/12/8 来源:www.arpun.com 作者:小白

科学家证实铋系超导体是真的,获得诺贝尔奖理论受到挑战 

铋(Bismuth)是化学周期元素表中长得最奇怪的元素之一, 它内部的属性甚至更神奇。 科学家们已经发现, 在绝对零度(-273.15 °C)以上高一个小数会让铋成为超导体, 一种可以无电阻地导电的材料。

 

根据目前的超导理论, 这没有任何的意义, 因为近40年来, 科学家们已经假设超导材料会有很多自由流动的移动电子。 但在铋中, 每100,000个原子只有一个移动电子。

 

科学家证实铋系超导体是真的,获得诺贝尔奖理论受到挑战

 

印度塔塔基础研究院的文卡特拉曼·拉马克里希南(Srinivasan Ramakrishnan)向化学界解释说, 「一般来说, 具有超导性的化合物里每个原子大约有一个移动电子」。

 

「然而, 在铋中, 一个移动电子由100,000个原子共享, 由于载子密度如此之小, 人们不相信铋会超导。 」

 

材料的「载子密度」(carrier density)描述每体积的电子数, 并且发现铋具有超导性质使得它成为迄今为止发现最低载子密度的超导体, 打破了由钛酸锶(strontium titanate)保持的50年记录。

 

尽管事实上, 在室温下, 铋具有令人难以置信的高电阻, 它的导热性水平低于除了汞以外的任何金属, 几十年来科学家一直试图发现它的超导性。

 

超导性让这个材料能够以100%的效率承载电流, 如果我们能在室温下实现这一点, 它将永远改变我们使用电力的方式。

 

不幸的是, 科学家们一直在努力地使材料在任何接近绝对零度(-273.15°C or -459.67°F)的非常寒冷的温度之外转变为超导形式。

 

科学家证实铋系超导体是真的,获得诺贝尔奖理论受到挑战

 

因此, 研究人员一直将纯铋冷却到极低的温度, 看它是否会发生转变, 但是他们一直冷却到0.01K(1°C = 274.15 K)的极低温度且仍然没有发现, 他们就放弃了。

 

拉马克里希南告诉The Wire的Vasudevan Mukunth记者, 「关于铋的最后一项工作发现一直降温到0.01K, 它仍然不具有超导性。 这是二十年前所做的实验, 做到这人们就放弃了。 」

 

拉马克里希南和他的团队决定继续努力, 最终找到了在0.00053K令人渴望的超导性。 这是在绝对零度以上的五万分之一度。

 

过去的研究人员已经发现不纯或无定形(非晶体)形式的铋具有超导性, 但是仅在非常高的压力下。 这是第一个在正常形式和环境压力下铋具有超导性的迹象。

 

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虽然0.00053K不是一个可以实际实现超导性的温度, 全球的科学家们正在盛情地工作, 想要在室温下以任何材料实现超导性, 铋在任何温度下都是超导体是奇怪的。

 

根据1972年诺贝尔物理学奖授予关于超导性的超导的微观理论(BCS理论), 当移动电子成对聚集并且不受干扰地流过材料时, 产生了这种现象。

 

Mukunth解释,

 

「为了能够导电, 金属的原子必须具有一些可以在整个金属中移动而不会被困在原子周围的移动电子。 」

 

「在已经冷却到低温的超导金属中, 这些电子会克服来自相同电荷的排斥力, 汇合在一起并成对。 围绕在金属周围的一片电子对群像流体一样流动, 并且透过振动原子抵抗它们被甩出去, 除非金属被加热超过一个阈值温度。 」

 

「但是铋是如何在每100,000个原子只有一个移动电子的情形下, 维持超导性呢?」

 

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「如果将关于超导性的BCS理论应用于铋, 它预测这种现象只能发生在比0.00053K低1000倍的温度, 这是一个几乎不可思议的冷却状态。 」

 

拉马克里希南说, 「这种载子密度很小, 如果我们在铋建立超导性, 传统的BCS理论不能解释它, 现在我们需要一种关于铋新的超导性机制。 」

 

虽然团队不预期目前的超导性理论需要进行大修改来解释铋的行为, 但他们说, 它的某些方面现在需要补强进一步的理论来解释如何在极低的载子密度下产生超导体。

 

这个研究刊在Science杂志里, 你可以透过来免费阅读。
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