科学家找到优化超导材料的新方法

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  镍酸盐是新的一类前景很好的超导体材料。维也纳工业大学的研究人员找到办法,终于可以用理论模型描述这种材料内部的电子结构,从而进行大量的研究计算,不断优化材料特性。

科学家找到优化超导材料的新方法

  即使经过了三十多年的研究,高温超导材料仍然是材料物理学领域的一大难题。究竟是什么机制促使某一种材料出现超导状态,科学家并不明确,很多研究是基于不断的尝试和运气。

  至今科学家尝试了很多超导材料,比如好几年前,铜酸盐是热门的材料;近两年,镍酸盐比较热门。不管是什么材料,科学家知道都需要非常低的温度才能激发它们的超导特性,要接近绝对零度(零下273摄氏度左右)。

  研究人员取得一些进展实现的所谓“高温超导”,也需要零下200多摄氏度的低温,相对室温来说仍然是非常低的温度,只是相对于零下273度那样的绝对低温,条件已经放宽了许多,所以叫做高温超导。

  不断优化超导材料,比如提高实现超导的温度(也叫超导临界温度),是研究人员要长期面对的工作。现在已经有了一些理论模型,能够描述超导体的特性,并使用电脑计算辅助研究。

  即使有了这些模型,还必须知道每一种特定材料最重要的参数值才能进行计算,可是这很难。对于镍酸盐来说,“电荷转移能”这个参数就很重要。维也纳工业大学物理学教授库内什解释说:“这个参数告诉我们,需要向系统增加多少能量,才能把一个电子从镍原子转移到氧原子上。”

  麻烦的是,这个数值无法直接测量到,所以用理论模型进行的各种计算变得太复杂且不准确。

  这份研究找到方法间接地测到了这个参数:当研究人员用X光照射材料的时候,其光谱成分的变化取决于“电荷转移能”并对其相当敏感。所以,研究人员通过对X光照射的结果进行测量和计算,间接地得出“电荷转移能”这个参数值。

  研究人员把得到的“电荷转移能”参数代入他们的理论模型,得到一个很准确的计算模型。“有了这个模型,我们可以从电子层面了解超导材料的工作机制。”库内什说,“比如,哪些轨道起到决定性作用?那些参数会影响细节?这些问题都是优化超导材料需要回答的问题。有了这个模型,将来我们就可能造出超导临界温度提高很多的镍酸盐超导新材料。”

  这份研究10月13日发布于《物理评论X》。

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