超導(dǎo)體應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整

根據(jù)萊斯大學(xué)物理學(xué)家和合作者的兩項(xiàng)研究，一些鐵基超導(dǎo)體可以從調(diào)整中受益。

“我們的工作展示了一種新的設(shè)計(jì)原理，用于調(diào)諧量子材料，以在更高的溫度下實(shí)現(xiàn)非常規(guī)的超導(dǎo)性，”萊斯的研究首席理論物理學(xué)家齊淼思說(shuō) ，該研究調(diào)查了先前在硒化鐵中報(bào)道的異常超導(dǎo)模式。

“我們展示了一種異常，一種不同尋常的電子秩序，可以提高超導(dǎo)電性在特定軌道中產(chǎn)生電子配對(duì)的可能性，” 賴(lài)斯量子材料中心 (RCQM)和Harry C. and Olga K的主任說(shuō) 。 Wiess物理與天文學(xué)教授。“增強(qiáng)這種效應(yīng)的調(diào)諧材料可以在更高的溫度下促進(jìn)超導(dǎo)性。”

由于無(wú)數(shù)電子的撞擊，電流加熱了布線，每次撞擊時(shí)都會(huì)失去能量。 電網(wǎng)每年約有6%的電力因此加熱或電阻而損失。相比之下，超導(dǎo)體中的電子形成了在沒(méi)有電阻或熱量的情況下毫不費(fèi)力地流動(dòng)的對(duì)。

工程師們長(zhǎng)期以來(lái)一直夢(mèng)想著將超導(dǎo)技術(shù)用于節(jié)能計(jì)算，電網(wǎng)等等，但電子是臭名昭著的孤獨(dú)者，是量子家族中最受研究的成員，稱(chēng)為費(fèi)米子。費(fèi)米子非常反對(duì)彼此分享空間，他們已經(jīng)知道 暫時(shí)不再存在 。由于它們古怪的量子特性，誘導(dǎo)電子形成對(duì)通常需要極端條件，如 強(qiáng)壓力 或比深空更冷的溫度 。

非傳統(tǒng)的超導(dǎo)性 - 在硒化鐵等材料中發(fā)生的那種 - 是不同的。由于物理學(xué)家無(wú)法完全解釋的原因，非常規(guī)超導(dǎo)體中的電子在相對(duì)較高的溫度下形成對(duì) 。在過(guò)去的40年里，這種行為已被記錄在數(shù)十種材料中。雖然確切的機(jī)制仍然是個(gè)謎，但像Si這樣的物理學(xué)家已經(jīng)學(xué)會(huì)了預(yù)測(cè)非常規(guī)超導(dǎo)體在某些情況下的表現(xiàn)。

在新的研究中，Si，Rice研究生Haoyu Hu和合作者使用“軌道選擇性配對(duì)”的理論模型來(lái)解釋先前的硒化鐵實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并預(yù)測(cè)它和其他材料在其他情況下的表現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)包括萊斯大學(xué)的研究生胡浩宇，人民大學(xué)的榮宇，亞利桑那州立大學(xué)的Emilian Nica和洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的朱建新。在其模型中，某些原子殼中的電子更可能形成對(duì)，而不是其他原子殼。Si說(shuō)，通過(guò)思考像高速公路上的車(chē)道一樣的原子軌道，一種可視化的方法。

“汽車(chē)在不同車(chē)道以不同的速度行駛，”他說(shuō)。“我們希望左車(chē)道的人能夠最快地移動(dòng)，但情況并非如此。當(dāng)許多汽車(chē)在高速公路上時(shí)，其他車(chē)道可能移動(dòng)得更快。非常規(guī)超導(dǎo)體中的電子就像擁擠的高速公路上的汽車(chē)。他們必須互相避開(kāi)，最終可能被卡在一條車(chē)道上。調(diào)整電子訂單是一種將電子哄騙進(jìn)入特定 軌道的方法，就像高速公路錐體和將汽車(chē)引入特定車(chē)道的障礙一樣。“

鐵基高溫超導(dǎo)體是在2008年發(fā)現(xiàn)的，Si和合作者提供 了解釋它們的第一個(gè)理論之一：將它們冷卻到量子臨界點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生明顯的相關(guān)電子效應(yīng)，這種行為起源于只能通過(guò)將電子視為集體系統(tǒng)而不是許多單個(gè)物體來(lái)理解。

這些新論文出現(xiàn)在 物理評(píng)論快報(bào) (PRL)和 物理評(píng)論B (PRB)中，建立在與Yu和Nica在Rice的博士后和研究生學(xué)習(xí)期間進(jìn)行的研究中。2013年， Si和Yu表明 ，軌道選擇性行為可能導(dǎo)致堿性硒化鐵同時(shí)表現(xiàn)出金屬和絕緣體的沖突特性。2017年， Si，Nica及其同事表明 ，硒化鐵有可能具有超導(dǎo)狀態(tài)，其中與子殼的一個(gè)軌道相關(guān)的電子對(duì)與同一子殼中的密切相關(guān)軌道的電子對(duì)非常不同。

“在目前的工作中，我們發(fā)現(xiàn)向列順序在高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的溫度下顯著提高了正常狀態(tài)下的軌道選擇性，”PRL論文的第一作者Yu說(shuō)。

在向列系統(tǒng)中，在一個(gè)方向上的順序高于另一個(gè)方向。例如，在一盒未煮過(guò)的面條中，如果在垂直方向上觀察，面條是縱向排列的，但是是無(wú)序的。

為了分析在向列電子秩序存在下超導(dǎo)性的性質(zhì)，Yu，Si及其同事分析了“超導(dǎo)間隙”，這是一種比較與向列方向和垂直方向上的電子對(duì)分離相關(guān)的能量成本的度量。他們的計(jì)算顯示出很大的差異。

“我們的研究結(jié)果提供了對(duì)最近報(bào)道的非常顯著結(jié)果的自然理解，這些結(jié)果是 基于對(duì)掃描隧道顯微鏡中硒化鐵超導(dǎo)間隙的精心測(cè)量而得到的，”PRB論文的第一作者胡說(shuō)。

Si表示，這項(xiàng)工作“揭示了軌道選擇性配對(duì)與電子訂單之間的相互作用，這似乎是鐵基超導(dǎo)體和其他強(qiáng)相關(guān)量子材料中非常規(guī)超導(dǎo)性的重要組成部分。”