Only Perception: 新超導理論或能革新電機工程

2013-12-25

新超導理論或能革新電機工程

New superconductor theory may revolutionize electrical engineering
http://phys.org/news/2013-12-superconductor-theory-revolutionize-electrical.html

By Bill Steele, Dec 06, 2013

(Phys.org) -- 高溫超導體展現出令人沮喪、各種類型的奇怪行為，例如電子將它們自己排列成帶狀或拒絕使自己以對稱方式環繞原子排列。現在，二位物理學家提出，這些行為 -- 以及超導電性（superconductivity）本身 -- 都可回溯至單一原點，而且他們解釋為何這裡有這麼多變異。

這個理論也許朝新高溫超導體跨出一步，那將以更有效率的馬達、發電機以及無損失電力傳輸革新電機工程。

J.C. Seamus Davis（康乃爾 James Gilbert White 物理科學卓越教授，以及 Brookhaven National Laboratory 新興超導電性中心主任）與 Dung-Hai Lee（加州大學柏克萊分校物理學教授，以及 Lawrence Berkeley National Laboratory 授課科學家）在 10/7 當期的 PNAS 上描述他們的理論。

這些奇怪事物，稱為交錯有序相（intertwined ordered phases），似乎干擾了超導電性。"我們現在有種簡單的方法來理解它們如何被創造出來，且希望這種理解將幫助我們了解如何排除它們，" Lee 表示。

超導電性（電流在零電阻的狀態下流動），首度在被冷卻至接近絕對零度的金屬中發現。最近，銅、鐵以及某些其他金屬結合微量元素而成的複雜結晶體，被發現在溫度約達 150 K 時具有超導性。過去十年來，Davis 利用 STM 在幾乎隔絕振動的情況下來檢查這些材料，這讓他們能以小於一個原子寬度的步進掃瞄一個表面，同時測量探針下方電子的能量。他在不同高溫超導體中發現好幾種交錯相，那在掃描中以「意料之外的電子結構排列」方式現身，而且不同材料間的變化很大。

"（我們的研究）並非隨機；我們試圖測繪出所有已知的現象，" Davis 說。

絕大多數次原子粒子都有一個微小的磁場 -- 一種稱為「自旋（spin）」的物理學特性 -- 當荷載電流的電子，其場域與周遭這些原子進行交互作用時產生了電阻。

二個電子能像二根棒狀磁那樣結合，某個電子的「北極」緊抓住另一個的「南極」，而這種「古伯對（Cooper pair）」為磁中性且能毫無阻礙地移動。Lee 與 Davis 提出，這種「antiferromagnetic（反鐵磁的）」交互作用不僅是超導電性而且也是所有被觀察到之交錯有序性的共通起因。他們證明，他們的「統一」理論如何能預測在銅基、鐵基以及所謂的「重費米子（heavy fermion）」材料中所觀察到的現象。

但假如起因都一樣，為何不同的材料會展現出不同的奇怪事情呢？他們說，這些差異在於，能自由荷載電流的電子，能階有所不同之故，那可用一種叫做「費米表面（Fermi surface）」的數學結構來描述。

這種新高溫超導體源自於有序結晶體，在此，同樣的原子排列不斷地重複又重複，而電子的自旋在每一個單元間都是上下交錯。研究者表示，雖然這偏好反鐵電交互作用，但電子並未自由形成古伯對。微量元素的摻雜扭曲了結晶體的結構，並移除某些電子，改變了費米表面。在此，古柏對或其他的排列次序將會出現，端看費米表面的形狀而定。

熱使原子移動而且能將古柏對震開，故「聖杯」在於設計出一種材料，在此，古柏對的結合如此強烈，即使在室溫下都能發生超導電性。描述一種能創造出這種情況的費米表面是有可能的，而且也許能接著構想它需要什麼樣的結晶構造。"在理想的情況下，我們將能夠告訴材料科學家把 X、Y、Z 元素放在一起（就成了），" Lee 說。"不幸的是，我們尚無法辦到。"

※ 相關報導：

＊ Concepts relating magnetic interactions, intertwined electronic orders, and strongly correlated superconductivity
http://www.pnas.org/content/110/44/17623

J. C. Séamus Davis, and Dung-Hai Lee.
PNAS October 29, 2013 vol. 110 no. 44 17623-17630
doi: 10.1073/pnas.1316512110

Unconventional superconductivity (SC) is said to occur when Cooper pair formation is dominated by repulsive electron–electron interactions, so that the symmetry of the pair wave function is other than an isotropic s-wave. The strong, on-site, repulsive electron–electron interactions that are the proximate cause of such SC are more typically drivers of commensurate magnetism. Indeed, it is the suppression of commensurate antiferromagnetism (AF) that usually allows this type of unconventional superconductivity to emerge. Importantly, however, intervening between these AF and SC phases, intertwined electronic ordered phases (IP) of an unexpected nature are frequently discovered. For this reason, it has been extremely difficult to distinguish the microscopic essence of the correlated superconductivity from the often spectacular phenomenology of the IPs. Here we introduce a model conceptual framework within which to understand the relationship between AF electron–electron interactions, IPs, and correlated SC. We demonstrate its effectiveness in simultaneously explaining the consequences of AF interactions for the copper-based, iron-based, and heavy-fermion superconductors, as well as for their quite distinct IPs.