室温下陶瓷超导体成为现实

在短波红外激光脉冲的帮助下，研究人员首次成功地在室温下制造出陶瓷超导体——尽管它们的寿命只有百万分之几微秒。德国马克斯·普朗克材料结构和动力学研究所参与的一个国际小组最近在《自然》杂志上报道了他们的工作。该研究小组认为，这一现象背后的原理是激光脉冲导致晶格中单个原子的短暂变化，从而导致超导性。这一成果有望帮助现有低温超导材料在更高的温度条件下实现超导，具有广阔的应用前景。

在短波红外激光脉冲的帮助下，研究人员首次成功地在室温下制造出陶瓷超导体——尽管它们的寿命只有百万分之几微秒。德国马克斯·普朗克材料结构和动力学研究所参与的一个国际小组最近在《自然》杂志上报道了他们的工作。该研究小组认为，这一现象背后的原理是激光脉冲导致晶格中单个原子的短暂变化，从而导致超导性。这一成果有望帮助现有低温超导材料在更高的温度条件下实现超导，具有广阔的应用前景。

起初，科学家发现几种金属在温度仅略高于绝对零度的超低温环境中表现出超导性。然后在20世纪80年代，物理学家发现了一种新的陶瓷材料，它可以在零下200摄氏度的环境中实现超导，因此被称为“高温超导体”。其中一种陶瓷材料是YBCO。这是最有前途的超导材料之一，将来可能应用于超导电缆、电机、发电机和其他设备。

钇-钡-氧化铜晶体具有非常特殊的结构:双层氧化铜分子层和稍厚的钡、铜和氧原子中间层交替叠加形成晶体。这种材料的超导性来自双层氧化铜分子层。电子可以在这里结合形成所谓的库珀对。这种电子对可以穿过不同的层，这意味着这些电子对可以像幽灵一样不受阻碍地穿过层——这是典型的量子现象。然而，这种晶体结构只有在低于“临界温度”时才会表现出超导性，因为只有在这种条件下，电子才能形成铜对，不仅能穿过双层氧化铜分子层，还能穿过较厚的中间层。当温度高于临界温度时，铜对电子消失，材料变回导电性差的金属复合材料。

帮助开发新的超导材料

2013年，马克斯·普朗克研究所参与的一个国际研究小组发现，当钇钡铜氧化物材料受到红外激光脉冲照射时，它在室温下会暂时表现出超导性。很明显，激光脉冲改变了这种材料晶体结构中双层氧化铜分子的耦合。然而，确切的原因仍不清楚——直到研究小组有机会前往美国，并使用斯坦福大学的线性加速器相干光源(LCLS)——世界上最强大的x光激光进行分析，这个谜才最终被解开。德国马克斯·普朗克研究所的物理学家罗曼·曼考斯基是《自然》杂志的第一作者。他说:“首先，我们再次用红外脉冲激光照射材料，我们看到一些原子开始振动。不久之后，我们立即用短的x光脉冲来测量受激晶体的精确晶格结构。”

其结果是发现红外脉冲不仅激发并引起原子振动，而且实际上使原子迁移并离开它们原来的位置。这使得氧化铜双分子层的厚度在短时间内增加了2皮米(1皮米= 10亿分之一米)，或者约为原子直径的1%，同时它们之间的中间层的厚度相应地减小。这种变化增强了两个双层之间的耦合效应，从而使晶体结构在室温下短暂地表现出超导性。

另一方面，这一最新的研究成果也有助于改进高温超导体的理论，但这种理论还不完善。曼科夫斯基说:“这项成就将有助于材料科学家开发具有更高临界温度的超导材料。最终实现超导材料可以在室温下应用而无需冷却的梦想。”到目前为止，超导磁体、电机或马达在应用时必须用液氮或液氦冷却。如果不再需要这种复杂的冷却过程，这将意味着这一领域的关键技术突破。