作者:徐徐 来源:中国科学报 发布时间:2018-3-13
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来自宇宙的超导材料
陨石带来寻找室温超导体材料新希望

 

物理学家发现,撞入澳大利亚的9980公斤陨石含有微量的天然超导材料。

图片来源:SYDNEY OATS/ WIKIMEDIA COMMONS

一个由物理学家组成的团队发现,陨石有时含有天然形成的可在无任何阻力情况下导电的超导体。虽然这项在日前于洛杉矶举行的美国物理学会3月会议上报告的成果不会彻底改变科学家对太阳系的理解,但它引发了寻找室温超导体材料的希望。而这可能带来诸如磁悬浮火车等技术突破。

“听上去他们好像找到了一些东西并将其分离出来。”正带领团队在陆地矿产资源中寻找天然超导体的马里兰大学凝聚态物理学家Johnpierre Paglione表示,“这太棒了。”

传统超导体含有诸如铌、铅或者汞等简单金属。当被冷却至接近绝对零度的典型“临界温度”(对于汞来说,是4.2开尔文)时,它们会带有超导性。1986年,物理学家发现了一个含有铜的化合物家族,其在高达134开尔文(相当于零下139摄氏度)时产生了超导性。该现象被称为高温超导,但其来源一直是科学界最大的谜题之一。最近,研究人员又发现了高温铁基超导体家族。同时,还出现了各种其他的不稳定超导体。

当很多科学家试图通过设计来自原子尺度以上的特定属性合成新颖的超导体时,由加州大学圣地亚哥分校(UCSD)凝聚态物理学家Ivan Schuller领导的团队选择了筛选现有矿物质样本。这些样本来自地球或者陨石,由位于华盛顿的史密森学会收集。“这里有老天提供的所有材料。”Schuller说,“为何不研究它们呢?”陨石是在极端温度和压力下形成的。这些条件超越了地球上任何实验室的能力。因此,Schuller认为,它们是寻找新化合物的理想沃土。

超导性的最可靠迹象是当温度降至临界阈值以下时电阻突然变为零。不过,超导体还拥有独特的磁性:它能“击退”外加磁场——如果后者不是太强大的话,因为在材料内旋转且自由流动的电流能产生抵消外加磁场的磁场。这种现象被称为迈斯纳效应。物理学家试图通过研究该效应寻找新的超导体。他们尤其关注仅含有少量超导体以及阻力从未降至零的异构样品。

但Schuller认为,此项技术不够敏感,以至于无法寻找数量极少的超导体。为此,他的团队对该技术作了修改,以便有效地放大信号。虽然高于和低于临界温度的超导体都能吸收微波,但恰好在过渡时,吸收出现变化。

为寻找超导性,Schuller团队将一个小型样品放置在加入微波辐射的腔室内。研究人员施加了强大的恒定磁场和较小的振荡磁场。在上述会议展示最新成果的UCSD研究生James Wampler介绍说,当他们将超导体冷却至临界温度时,微波吸收发生急剧变化。随着振荡磁场驱动材料产生和失去超导性,信号被极大地增强。Wampler表示,该技术比传统的磁性测量敏感约1000倍。

Schuller表示,研究人员在上千个材料样本中验证了该方法。现在,他们将其应用于从16种不同陨石的表面刮下的小型样本。研究人员在两种陨石的样本中发现了超导性的证据:1911年发现于澳洲内陆的9980公斤铁块——慕拉比拉铁陨石,以及1995年在南极发现的Graves Nunataks碳质陨石。

一旦研究人员发现了确定的磁信号,他们便开始梳理每个粉末样本中的不同颗粒类型,并且利用X射线光谱学辨别具有超导性的颗粒材料。Wampler 介绍说,Grave Nunataks陨石中的超导体是由铟和锡构成的合金。慕拉比拉铁陨石中的超导体似乎是铟、锡和铅的合金。两种都是临界温度在5开尔文左右的著名超导体。

尽管这些超导体并不独特,但研究结果表明,超导性在宇宙中是普遍存在的。Wampler表示,“如果它能出现在陨石中,那么就有可能存在于任何地方”。虽然拒绝猜测最新成果对天体物理学带来的影响,但Wampler表示,“宇宙中很多地方的温度低于5开尔文”。陨石在超越实验室条件的压力和温度下产生,因此最终的希望是它们可能含有对人类来说未知的超导化合物。

Paglione同样认为,该领域需要寻找新的材料。“虽然有很多人在寻找新材料,但大家似乎遇到了瓶颈。”(徐徐编译)

《中国科学报》 (2018-03-13 第3版 国际)
 
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