科學家證實鉍系超導體是真的,獲得諾貝爾獎理論受到挑戰

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(Bismuth)是化學週期元素表中長得最奇怪的元素之一,它內部的屬性甚至更神奇。科學家們已經發現,在絕對零度(-273.15 °C)以上高一個小數會讓鉍成為超導體,一種可以無電阻地導電的材料。

根據目前的超導理論,這沒有任何的意義,因為近40年來,科學家們已經假設超導材料會有很多自由流動的移動電子。但在鉍中,每100,000個原子只有一個移動電子。

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印度塔塔基礎研究院的文卡特拉曼·拉馬克里希南(Srinivasan Ramakrishnan)向化學界解釋說,「一般來說,具有超導性的化合物裡每個原子大約有一個移動電子」。

「然而,在鉍中,一個移動電子由100,000個原子共享,由於載子密度如此之小,人們不相信鉍會超導。」

材料的「載子密度」(carrier density)描述每體積的電子數,並且發現鉍具有超導性質使得它成為迄今為止發現最低載子密度的超導體,打破了由鈦酸鍶(strontium titanate)保持的50年記錄

儘管事實上,在室溫下,鉍具有令人難以置信的高電阻,它的導熱性水平低於除了汞以外的任何金屬,幾十年來科學家一直試圖發現它的超導性。

超導性讓這個材料能夠以100%的效率承載電流,如果我們能在室溫下實現這一點,它將永遠改變我們使用電力的方式

不幸的是,科學家們一直在努力地使材料在任何接近絕對零度(-273.15°C or -459.67°F)的非常寒冷的溫度之外轉變為超導形式。

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因此,研究人員一直將純鉍冷卻到極低的溫度,看它是否會發生轉變,但是他們一直冷卻到0.01K(1°C = 274.15 K)的極低溫度且仍然沒有發現,他們就放棄了。

拉馬克里希南告訴The Wire的Vasudevan Mukunth記者,「關於鉍的最後一項工作發現一直降溫到0.01K,它仍然不具有超導性。這是二十年前所做的實驗,做到這人們就放棄了。」

拉馬克里希南和他的團隊決定繼續努力,最終找到了在0.00053K令人渴望的超導性。這是在絕對零度以上的五萬分之一度

過去的研究人員已經發現不純或無定形(非晶體)形式的鉍具有超導性,但是僅在非常高的壓力下。這是第一個在正常形式和環境壓力下鉍具有超導性的跡象

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雖然0.00053K不是一個可以實際實現超導性的溫度,全球的科學家們正在盛情地工作,想要在室溫下以任何材料實現超導性,鉍在任何溫度下都是超導體是奇怪的。

根據1972年諾貝爾物理學獎授予關於超導性的超導的微觀理論(BCS理論),當移動電子成對聚集並且不受干擾地流過材料時,產生了這種現象。

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「為了能夠導電,金屬的原子必須具有一些可以在整個金屬中移動而不會被困在原子周圍的移動電子。」

「在已經冷卻到低溫的超導金屬中,這些電子會克服來自相同電荷的排斥力,匯合在一起並成對。圍繞在金屬周圍的一片電子對群像流體一樣流動,並且透過振動原子抵抗它們被甩出去,除非金屬被加熱超過一個閾值溫度。」

「但是鉍是如何在每100,000個原子只有一個移動電子的情形下,維持超導性呢?」

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「如果將關於超導性的BCS理論應用於鉍,它預測這種現象只能發生在比0.00053K低1000倍的溫度,這是一個幾乎不可思議的冷卻狀態。」

拉馬克里希南說,「這種載子密度很小,如果我們在鉍建立超導性,傳統的BCS理論不能解釋它,現在我們需要一種關於鉍新的超導性機制。」

雖然團隊不預期目前的超導性理論需要進行大修改來解釋鉍的行為,但他們說,它的某些方面現在需要補強進一步的理論來解釋如何在極低的載子密度下產生超導體。

這個研究刊在Science雜誌裡,你可以透過arXiv.org來免費閱讀。

來源:Science alert

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