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斯坦福大学物理学家寻求解开超导的奥秘

上传时间:2020-09-18浏览量:118

摘要:斯坦福大学物理学家寻求解开超导的奥秘,几十年来,一直对能使磁铁悬浮的电子的奇怪行为产生了好奇心。下面跟托普仕Alice老师一起来了解下具体内容吧~

  沉志勋生动地记得他的中学物理老师展示了X射线的能力,方法是从存储在柜子中的罐子中取出一大块放射性物质,将其放入桶中,让学生将他们的手放在桶和荧光粉之间屏幕显示出隐藏在皮肤和肉体下方的骨头。

  “那给人留下了印象,”沉沉笑着回忆。有时他想知道那一刻是否为接下来的一切奠定了基础。

  他承认,沉对物理学没有浓厚的兴趣。在1970年代中期,没有太多的动机去研究中国。这个国家正处于1966年的文化大革命的控制之下,这场革命已经关闭了所有大学,并离开了全国大部分地区,包括他父母在上海从事医学工作的上海南部的一个小镇。但是,当沉和他的母亲看着他的兄弟在一个寒冷的早晨在强迫劳动营地乘公共汽车去乡下“再教育”时,她转向他说:“你是我们接受大学教育的希望。”

  尽管如此,鉴于家庭的情况,上大学似乎是不可能的梦想。然后一系列不太可能的事件改变了一切。

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  1977年,文化大革命结束,大学重新开放。

  当同一位鼓舞人心的中学老师组织一次物理竞赛时,当时16岁的沉某进入并进入了各个级别的第一名,分别是学校,地区,城市和省。令人着迷并建立了他的自信心,巩固了他的感觉,物理学是他的领域,但是它可能在什么地方导致呢?

  沉在高中毕业之前获得了大学学位,但在父亲的劝告下退了一年,然后进入了上海复旦大学的物理专业。

  在物理专业的第三年,他参加了由华裔诺贝尔奖获得者李宗道发起的一项课程的入学考试,该计划将有限的中国学生带到美国进行物理高级研究。

  这就是为什么1987年3月,沉在一场混乱的,通宵达旦的会议中发现了自己,该会议被称为“伍德斯托克物理学”,近2000名科学家分享了与发现新型量子有关的最新进展。材料被称为高温超导体。这些奇特的材料在比任何人都认为不可能的温度高得多的温度下以零损耗传导电流,并以极强的力驱散磁场,使它们可以悬浮磁铁。他们的发现对社会产生了革命性的影响,承诺将开发出更好的医学磁成像机,用于电力线,磁悬浮列车的完美高效的电气传输以及我们尚未梦想的事物。

  “我能够尽早到达那里,并在会谈正在进行的房间里坐下来,”沉回忆道。“对我来说,这是最令人兴奋的事情–科学的崭新领域突然开放。”

  工具革命

  幸运的是,他恰好处于跳入这一新领域的完美位置,不仅是探索超导基础的物质的量子态,而且还为此开发了更先进的工具。

  作为斯坦福大学的一名博士生,他一直在极高的X射线束下,从现在的主校区到现在的SLAC国家加速器实验室研究相关材料。会议结束后,他开始着手将自己一直在使用的称为角度分辨光发射光谱法(ARPES)的技术应用于新的超导体。

  三十多年后的今天,Shen是斯坦福大学人文与自然科学学院的物理科学教授,同时还是SLAC的光子科学教授。他和他的同事正在对可能是世界上最先进的系统进行最后的润色,以探索非常规的超导体和其他奇特的物质形式,以查看使它们产生变化的原因。

  该系统的关键部分距离SLAC的斯坦福同步加速器辐射光源(SSRL)的X射线束线只有几步之遥,Shen在这里进行了这些首次实验。其中之一是最近升级的设置,科学家可以一次在一个原子层上精密构建超导材料的样品,将它们通过管子和真空室穿入SSRL束线,而无需将它们暴露在空气中,并且可以进行高倍的测量分辨率比以往任何时候都高。他们制造的材料也被运输到世界上第一台X射线自由电子激光器SLAC的直线加速器相干光源,以其他方式无法进行精确测量。

  电子合作

  设计这些实验装置的初衷是为了:解开电子的怪异的协作行为,沉和其他人认为,这是解锁各种量子材料中超导性和其他现象秘密的关键。

  他说,沉寻求解决这个谜题的原因是他对“这种不应该发生的显着现象是如何发生的”的好奇心驱使的。“你可以说这是一种宏观的量子现象-自然拼命地试图揭示自己。之所以会这样,是因为这些电子以某种方式共同起作用。”

  1911年发现的第一批超导体是在30开尔文以下或406华氏度以下冷却时能完全导电的金属。理论家花了大约50年的时间来解释它是如何工作的:电子与材料原子晶格中的振动相互作用,从而克服了其负电荷之间的自然排斥力,使它们能够配对并轻松移动,零电阻。更重要的是,这些电子对重叠形成了一个完全不同的物质状态的冷凝物,其集体行为只能由量子力学的非直观规则来解释。

  出于各种原因,科学家认为这不可能在更高的温度下发生。因此,在1986年发现温度高达225华氏度以下的超导材料令人震惊。仍然奇怪的是,这种超导形式的起始材料是绝缘体,其本质有望阻止电子传播。

  沉解释说,在一种完美的金属中,每个电子都是完美的,因为它可以自由流动,产生电流。但是这些具有完美单电子的完美金属并不是超导的。

  相反,在某种意义上说,导致超导性的材料中的电子是完全不自由的。但是,一旦他们决定合作并凝结为超导状态,他们不仅会失去这种阻力,而且还会驱散磁场并使磁悬浮。

  “从这个意义上讲,超导性要优越得多,”沉说。“系统的行为超越了个人的行为,这令我着迷。您和我由氢,碳和氧组成,但是我们能够进行对话的事实并不是这些单独元素的特性。”

  尽管许多理论已经浮出水面,但科学家仍然不知道是什么促使电子在这些材料中的如此高的温度下配对。追求已经走了很长的路-自那次疯狂的伍德斯托克之夜以来已经有33年了-但沉不介意。他告诉他的学生,巨大的科学挑战就像您一次解决一个难题。他说,更好的工具正在逐渐使人们全面关注,我们已经走了很长一段路。

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