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超導(dǎo)體的電阻有一個特定的臨界溫度，超過這個溫度它就會突然下降到零，而不像普通的金屬導(dǎo)體，其電阻會隨溫度的降低而逐漸下降，甚至下降到接近絕對零度。
尋找不需要如此低溫的超導(dǎo)體是目前超導(dǎo)研究的主要目標。這些超導(dǎo)體的運作機制是這個領(lǐng)域最大的謎團，至今沒有人能夠回答。了解在高溫下產(chǎn)生超導(dǎo)性的過程將使其得到更多的實際應(yīng)用。
來自以色列巴伊蘭大學的科學家們最近進行的一項研究在解決這一持續(xù)的謎團方面取得了進展。他們通過使用掃描式SQUID（超導(dǎo)量子干涉裝置）磁力顯微鏡拍攝到了一種其他技術(shù)以前無法看到的現(xiàn)象。
當高溫超導(dǎo)體最初被發(fā)現(xiàn)時，科學家們大吃一驚。科學家們曾認為，良好的超導(dǎo)性將在金屬中發(fā)現(xiàn)。然而與預(yù)測相反的是，人們發(fā)現(xiàn)絕緣陶瓷材料是最好的超導(dǎo)體。
找到這些陶瓷材料的共同屬性可能有助于確定其超導(dǎo)性的來源并改善對臨界溫度的控制。據(jù)了解，這種材料的其中一個特性是，當中的電子會強烈地相互抵制。因此，它們無法自由移動。相反，它們會被困于一個周期性的晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)。
電子有兩個決定性的屬性：電荷（移動的電荷會產(chǎn)生電流）和自旋。其中，自旋是電子的量子屬性，負責它們的磁特性。這就好比每個電子上都有一個小小的條形磁鐵。在普通材料中，電荷和自旋是電子的“內(nèi)置”并無法分離。
然而在被稱為“量子自旋液體”的特殊量子材料中，電子之間的相互作用促成了一種獨特的現(xiàn)象，即每個電子被分解成兩個粒子，一個帶電荷（但無自旋），一個帶自旋（無電荷）。這種量子自旋液體可能存在于高溫超導(dǎo)體中，事實上，它們的存在可以解釋這些材料的超導(dǎo)性如此之好的原因。
而這當中的挑戰(zhàn)在于，這些自旋液體對于傳統(tǒng)的測量來說是看不見的。即使我們懷疑一種材料可能是自旋液體，也沒有任何實驗可以驗證它或探測其性質(zhì)。這類似于暗物質(zhì)，它不會跟光相互作用，因此非常難以探測。
目前的研究是由巴伊蘭大學物理系的Beena Kalisky教授和博士生Eylon Persky及其合作者進行的，這是朝著開發(fā)一種研究自旋液體的方法邁出的重要一步。研究人員通過使自旋液體跟超導(dǎo)體相互作用來研究它的特性。他們使用了一種由超導(dǎo)體和候選自旋液體的原子層交替組成的工程材料。
“跟不產(chǎn)生任何信號的自旋液體不同，超導(dǎo)體有著清晰的磁信號，很容易測量。因此，我們能夠通過測量它在超導(dǎo)體中產(chǎn)生的微小變化來研究自旋液體的特性，”Persky說道。研究人員通過使用掃描SQUID--一種能同時檢測磁性和超導(dǎo)性的極其敏感的磁傳感器--來研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性。
“我們已經(jīng)觀察到在超導(dǎo)體中產(chǎn)生的渦流。這些旋渦是循環(huán)的電流，每一個都持有一個量子的磁通。雖然創(chuàng)造這種旋渦的唯一方法是通過施加磁場，但在我們的案例中，旋渦是自發(fā)產(chǎn)生的，”Kalisky解說道。這一觀察表明，材料本身產(chǎn)生了一個磁場。而最大的驚喜是發(fā)生在這個磁場沒有在直接測量中顯示出來的時候。Kalisky補充道：“令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)由該材料產(chǎn)生的磁場對于直接的磁性測量是不可見的。”
研究結(jié)果指出了一個“隱藏的”磁相，它在實驗中通過跟超導(dǎo)層的相互作用而暴露出來。通過跟來自巴伊蘭大學、以色列理工學院、魏茨曼研究所、加州大學伯克利分校和佐治亞理工學院的研究小組合作，研究人員得出結(jié)論，這種磁相可能是自旋液層和超導(dǎo)層之間關(guān)系的直接結(jié)果。隱藏的磁性是自旋液中自旋電荷分離的結(jié)果。超導(dǎo)體對這種磁性產(chǎn)生反應(yīng)進而產(chǎn)生渦流，這個過程不需要一個“真正的”磁場。
事實上，這是第一次直接觀察到這兩種物質(zhì)階段之間的聯(lián)系。這些結(jié)果提供了了解難以捉摸的自旋液體的特性的途徑，如電子之間的相互作用。這些結(jié)果也為工程化的其他層狀材料打開了大門，通過這些材料可以研究超導(dǎo)性和其他電子相之間的關(guān)系。對自旋液體和超導(dǎo)性之間關(guān)系的進一步研究可能會使研究人員設(shè)計出在室溫下工作的超導(dǎo)體，而這反過來會改變我們的日常生活。
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