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物理學者發現全新 g 波超導體 或可在更高溫下有超導性

2020/9/23 — 18:38

長期以來,科學家一直認為還有其他類型的超導體等待被發現,事實證明他們的希望是正確。最新刊於《自然物理學》的研究首次確定了有 g 波(g-wave)超導體,這是物理學在此領域的重大進展。

超導體是在特定情況下,電阻為零的導體,可大大減少輸送電能時的消耗。然而,超導體需要冷卻至超低溫才達到超導性能,因此學術界一直致力尋找更多較高溫下有超導性的超導體。

到目前為止,幾乎所有超導體都被確認為「自旋單重態(spin singlet)」,由庫柏電子配對(Cooper pair)形成,該對自旋相反的電子會結合在一起,從而消除了材料的電阻。現時這些自旋單重態超導體有兩位類型,分別為 s 波與 d 波。

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s 波類超導體庫珀對電子直接指向彼此,抵消了彼此的角動量(angular momentum);角動量是與物體的位置向量和動量相關的物理量。 d 波超導體則不同,電子會在一個軸面產生正角動量,另一個則在另一軸面產生負角動量,形成有兩個單位的角動量。新發現的 g 波超導體則與上述兩類波,有完全不同的角動量。

發現超乎預期

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由康乃爾大學物理學助理教授 Brad Ramshaw 領導的團隊,利用超詳盡共振超聲波光譜分析,發現釕酸鍶(Strontium ruthenate,Sr2RuO4),屬這種全新類型的超導體。他在大學發表研究的聲明中指,實驗表明有可能出現一些人類從未想過的超導體類型,開闢了對超導體可以是怎樣、以及如何表達自身,有新的想像空間。

他又補充,如果要掌握超導體的控制方法,並利用如半導體上使用的「微調控制技術」枇操控超導體,人類必須先了解其工作原理、類型,以及出現超導性的情況。

事實上,研究團隊原本想尋找另一種目前僅屬假設存在的 p 波超導體。科學家認為 p 波超導體可能是「自旋三重態(spin-triplet) 」,其中成對的電子具有相同的自旋方向,從而產生 1 個單位的角動量,介乎於 s 波和更奇特的 d 波超導體之間;然而,團隊並無找到這種假設的 p 波超導性,卻發現另一種全新的角動量。

在光譜分析中,團隊分析釕酸鍶晶體的對稱性,建立了一個全新、完全自制的條件,將釕酸鍶冷卻至產生超導性溫度。釕酸鍶的彈性常數(elastic constants)顯示,釕酸鍶是一種雙組成成份超導體,能夠與複雜的電子結合,並需要一個方向和一個數字來表達。這代表釕酸鍶不能歸類為此前已知、以及假設的超導體類型。彈性常數是指聲波通過特定物質的速度。

Ramshaw 表示,這是以前從未見過的發現, g 波的角動量為 4 個單位,而無人想到會有 g 波超導體。

釕酸鍶的超導性早在 1994 年被日本物理學家前野悅輝的團隊發現,當時團隊是想尋找較高溫超導體;而釕酸鍶超導性被發現後,曾假設是來自自旋三重態,但是次研究強烈否定釕酸鍶超導性屬自旋三重態。

是次研究發現是人類對超導體理解的又一個進步,如果能夠擴展該技術,並在較熱的溫度下應用,電路板和電網在傳遞能量時,則不會因熱力而損失任何電能。團隊未來將研究其他材料,是否具有難以捉摸的 p 波超導性。他們亦將進一步分析釕酸鍶,以了解其包括超導性的其他特性。

來源:
Science Alert, Physicists Just Discovered a Brand New Type of Superconductor, 23 September 2020

報告:
Ghosh, S., Shekhter, A., Jerzembeck, F. & et al. (2020). Thermodynamic evidence for a two-component superconducting order parameter in Sr2RuO4Nat. Phys. doi: 10.1038/s41567-020-1032-4

文/Alan Chiu

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