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排斥電荷防止庫柏對在絕緣狀態(tài)下“跳島”？

2019-06-29 12:47 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

超導(dǎo)體能夠在零電阻的情況下導(dǎo)電，這要?dú)w功于庫柏對(Cooper pair)和電子對(electron duo)。庫柏對是電子對相互作用的結(jié)對體，它們能在不受阻礙的情況下穿過材料。

早在2007年布朗大學(xué)的研究人員有了一個驚人發(fā)現(xiàn)，在絕緣材料中也存在庫珀對，它有助于阻止電流的流動，而不是使電流流動成為可能?，F(xiàn)在同一個實(shí)驗(yàn)室小組已經(jīng)揭示了這些“庫珀對絕緣體”所包含的力?，F(xiàn)發(fā)表于《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)上的一篇論文中，研究人員指出：

在絕緣階段，庫柏對受到相互排斥作用的制約，而不是材料原子晶格中的任何無序狀態(tài)。在設(shè)計(jì)利用超導(dǎo)絕緣過渡(例如超導(dǎo)開關(guān))的材料或器件時，這種洞察力可能很重要。布朗大學(xué)的物理學(xué)教授、該論文的資深作者吉姆·瓦勒斯(Jim Valles)說：電子學(xué)的關(guān)鍵是控制電子流，所以要找到新的方法，讓電子流產(chǎn)生新的操作方法，用于新設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)研究為我們提供了關(guān)于庫珀對傳播的新信息，這可能有助于在新設(shè)備中操縱它們。此前Valles和同事對非晶態(tài)鉍薄膜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，厚塊的非晶態(tài)鉍起到超導(dǎo)體作用。

但當(dāng)它被切成只有幾個原子那么厚的薄片時，它就變成了絕緣體。瓦勒斯和同事們的初步研究表明，庫珀對(以布朗大學(xué)物理學(xué)家利昂·庫珀的名字命名，庫珀因描述了它們的動力學(xué)而獲得諾貝爾獎)出現(xiàn)在這些電影中。但電影中的庫珀對并沒有像在超導(dǎo)狀態(tài)下那樣自由移動，而是被困在材料內(nèi)部的小島上，無法跳躍到下一個小島。然而，目前還不清楚是什么力量將這對雙胞胎固定在原地。這正是Valles和同事們希望通過這項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)的。使庫柏對固定的一種可能性是電荷，每對粒子都帶有很強(qiáng)的負(fù)電荷，帶相同電荷的粒子相互排斥。這可能是庫珀對跳躍到下一個島有困難，因?yàn)槟莻€島已經(jīng)被另一對庫珀對占據(jù)了。

這就造成了電荷相關(guān)的交通堵塞，阻止電流通過材料。Valles和同事們打算測試這種情況。在這項(xiàng)研究中，把釓原子撒到鉍絕緣體的原子結(jié)構(gòu)中。釓是磁性的，而磁性削弱了庫柏對耦聯(lián)-潛在地導(dǎo)致他們分裂成單獨(dú)的電子。如果有幾對庫伯龍?jiān)谒查g斷裂，就會釋放出一些島嶼空間，給完整庫伯龍留下跳躍的空間。因此，如果更多電子對隨著釓的加入而開始跳躍，這將是一個明確的信號，表明這些材料中的電阻是由電荷相關(guān)的交通堵塞驅(qū)動，這正是實(shí)驗(yàn)所顯示。正是電影中那些小島的組合，以及庫珀對相互排斥而形成小島之間的屏障，才產(chǎn)生了這種阻力。

這是第一次有人能夠排除其他可能導(dǎo)致的因素。另一種可能性是一種被稱為安德森局域化的現(xiàn)象，它與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的無序有關(guān)。在接近絕對零度的溫度下，安德森效應(yīng)可能很重要，因?yàn)樵诮咏^對零度的溫度下，它們會形成一種更奇特的狀態(tài)，稱為超絕緣，在這種狀態(tài)下，電阻會變得無窮大。但在相對較高的溫度下，這項(xiàng)研究表明電荷才是最重要的。這可能會對設(shè)計(jì)新的電子設(shè)備產(chǎn)生影響——也許是用于邏輯門的超導(dǎo)開關(guān)。有可能從這個裝置中得到一個低溫開關(guān)，或者如果我們能從高溫超導(dǎo)體中得到這種行為，可能會得到更高溫度的版本，這可能會有更實(shí)際的用途。