利用世界上最强大的磁铁之一来弥补超导体的惊人行为

【利用世界上最强大的磁铁之一来弥补超导体的惊人行为】科学家们发现，氧化铜化合物的电阻以非常不寻常的方式取决于磁场 - 这一发现有助于指导寻找能够在室温下完美导电的材料
当真正强大的磁铁能够产生比地球强大近200万倍的磁场时，会发生什么呢?适用于在液氮冷却时具有“超强”导电能力的材料?一组科学家开始在一个由镧，锶，铜和氧(LSCO)元素组成的超导体中回答这个问题。他们发现，当非常高的磁场在低温下抑制其超导性时，这种氧化铜化合物或铜酸盐的电阻会以不寻常的方式发生变化。
“凝聚态物理学中最紧迫的问题是理解铜酸盐中超导的机理，因为在环境压力下，它们在任何目前已知材料的最高温度下变成超导体， ”物理学家Ivan Bozovic说道，他是氧化物分子束外延组的负责人。能源部(DOE)布鲁克海文实验室，也是8月3日科学的合着者报道发现的报纸。“这一新结果 - LSCO的电阻率与低温下的磁场强度呈线性关系 - 进一步证明了高温超导体的表现不像普通金属或超导体。一旦我们能够提出一个理论来解释它们的异常行为，我们就会知道是否以及在哪里寻找能够在更高温度下，甚至在室温下携带大量电流的超导体。
像LSCO这样的铜酸盐通常是绝缘体。只有当它们被冷却到零度以下几百度并且它们的化学成分浓度被改变(一个叫做掺杂的过程)才能使它们成为金属时，它们的移动电子才能配对形成一个无阻力流动的“超流体” 。科学家希望了解铜酸盐如何实现这一惊人的壮举将使他们能够开发出室温超导体，这将使能量生成和输送显着提高效率和降低成本。
2016年， Bozovic的小组报告说， LSCO的超导状态与普遍接受的经典超导理论所解释的状态完全不同; 它取决于给定体积中电子对的数量而不是电子配对相互作用的强度。在第二年发布的后续实验中，他们获得了另一个令人费解的结果：当LSCO处于非超导(正常或“金属”)状态时，其电子不像液体那样表现为液体。对金属的标准理解。
“凝聚态物理界对这个最基本的问题存在分歧：铜离子的行为是否属于现有的超导体和金属理论，还是存在着截然不同的物理原理?”Bozovic说。
继续从2005年开始的这项全面的多部门研究， Bozovic的小组和合作者现在已经找到了额外的证据来支持后者的观点，即现有的理论是不完整的。换句话说，这些理论可能并不包含所有已知的材料。例如，可能有两种不同类型的金属和超导体。
“这项研究指出了铜酸盐中奇异金属态的另一个特性，即金属不典型：在非常高的磁场下的线性磁阻， ”Bozovic说。“在抑制超导状态的低温下， LSCO的电阻率与磁场成线性(直线); 在金属中，这种关系是二次的(形成抛物线) 。“
这个合成图像提供了定制设计的分子束外延系统的一瞥， Brookhaven物理学家用它来制造单晶薄膜，用于研究超导铜酸盐的特性。
为了研究磁阻， Bozovic和团队成员Anthony Bollinger ， Xi He和Jie Wu首先必须在最佳掺杂水平附近制造出完美无缺的LSCO单晶薄膜。他们使用了一种称为分子束外延的技术，其中将包含不同化学元素原子的单独光束照射到加热的单晶衬底上。当原子落在基板表面时，它们凝结并缓慢地生长成超薄层，一次构建一个原子层。晶体的生长发生在高度真空的高度真空条件下，以确保样品不被污染。
“布鲁克海文实验室对这项研究的关键贡献是这个材料综合平台， ”Bozovic说。“它允许我们为不同的研究定制薄膜的化学成分，为我们观察超导材料的真实特性提供了基础，而不是由样品缺陷或杂质引起的特性。”
然后，科学家将薄膜图案化到含有电压引线的条带上，以便测量在施加的磁场下流过LSCO的电流量。
他们在布鲁克海文实验室用两个9特斯拉磁铁进行了初始磁阻测量 - 供参考，当今磁共振成像(MRI)机器中使用的磁铁强度通常高达3特斯拉。然后，他们将最好的样品(具有最佳结构和运输质量的样品)带到脉冲现场设施。该国际用户设施位于DOE的洛斯阿拉莫斯实验室，是高磁场实验室的一部分，该实验室拥有世界上最强大的磁铁。脉冲场设施的科学家将样品放入80特斯拉脉冲磁铁中，由电流的快速脉冲或射击提供动力。磁铁产生如此大的磁场，使其不能在很短的时间内(微秒到几分之一秒)通电，而不会破坏自身。
“这个巨大的磁铁，一个房间的大小，吸引了一个小城市的电力，是这个上唯一的这样的装置， ”Bozovic说。“如果幸运的话，我们每年只能访问一次，所以我们选择了最好的样本进行研究。”
10月，科学家将获得更强的(90特斯拉)磁体，他们将用它来收集额外的磁阻数据，看看线性关系是否仍然成立。
科学家用来测量电阻率随温度和磁场变化的典型装置的一个例子。科学家通过原子逐层分子束外延生长薄膜，将其图案化成器件，并将其引线键合到芯片载体上。
“虽然我不希望看到不同的东西，但这种更高的场强将使我们能够扩大我们可以抑制超导性的兴奋剂水平范围， ”Bozovic说。“在更广泛的化学成分中收集更多数据将有助于理论家们在铜酸盐中形成高温超导的最终理论。”
明年， Bozovic和其他物理学家将与理论家合作解释实验数据。
“似乎电子的强相关运动落后于我们观察到的线性关系， ”Bozovic说。“关于如何解释这种行为有各种各样的想法，但在这一点上，我不会挑出任何一种行为。”

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