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一种制造高温超导体的方法诞生!源自凝聚体能让玻色子0阻力流动

一种制造高温超导体的方法诞生!源自凝聚体能让玻色子0阻力流动

博科园:本文为物理学类

康奈尔大学领导的新研究,通过探索原子级半导体中的激子,为物理学家一个难以实现的目标(高温超流性)指明了方向。由束缚电子-空穴对组成的激子是能够存在于绝缘体和半导体中可移动的能量束。通过使用具有大结合能的激子,研究人员能够将冷凝温度提高一百倍,从大约1开尔文(-272.15℃)到大约100开尔文(-173.15℃),室温大约是295开尔文(22℃)。虽然高温超流性仍有待证明,但这种强大的玻色-爱因斯坦凝聚物可能会促使更明亮、更高效的照明系统,使传统LED相形见绌。

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其研究发现现在发表在《自然》期刊上,该研究的主要作者、博士后研究员王泽芳(Zfang Wang,Ph.D.‘18)说:在比早期研究高得多的温度下实现激子凝聚,为在明显不那么严格的实验条件下,探索物质的这一量子阶段提供了一个令人兴奋的机会。

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量子粒子分为两个基本类别:玻色子和费米子这两类粒子区别在于它们的自旋。玻色子是社会化的人,很高兴被聚集在一起;费米子就像公共汽车上的乘客,不想坐在一起。

一种制造高温超导体的方法诞生!源自凝聚体能让玻色子0阻力流动

一种类型的玻色子是激子,它由两个费米子组成,一个电子与一个电子空穴配对。这是系统中没有电子,设法克服它们的反社会倾向,愉快地附着在其他粒子上。2-D原子双层中的激子质量也很轻,尺寸很小,所以它们可以紧密地堆积在一起(比传统材料中的原子和激子多得多)并集体行为,这可以允许流动而没有粘度或阻力,这些是在较高温度下实现冷凝和超流的理想条件。共同高级作者,艺术与科学学院物理学副教授Kin Fai Mak和工程学院应用和工程物理教授单杰(音译)说:

一种制造高温超导体的方法诞生!源自凝聚体能让玻色子0阻力流动

物质的量子态通常非常脆弱,这就是为什么必须在实验室里将它们降温到非常低的温度,以保护它们并将它们与环境隔离的原因。但是,如果能创造出一种更稳定的物质量子态,它可以在高温,甚至在环境条件下快乐地生活,那么你可以用它做很多事情。其中一个潜在的应用是光电子学,在传统的LED中,激子的行为是独立的,而不是合作的,因为它们不处于凝聚状态。但一旦凝聚,粒子可以集体重组并更有效地产生光子。实际上,可以创造出比传统LED更明亮,更节能的光源。

一种制造高温超导体的方法诞生!源自凝聚体能让玻色子0阻力流动

该研究团队采用了一种明确的“低技术”方法来组装凝聚层:使用透明胶带从晶体上剥离原子的单层,并将它们与电子和空穴重新堆叠间隔约1纳米,并排列成最大限度地吸引形成社交爱好的玻色子。凝聚体的一个突出特性是玻色子可以在没有阻力的情况下流动,这意味着每一层本身就是一个超导体。所以创造高温超导体的另一种途径基本上是制造这种类型的结构,并分别测量每一层上的电阻,看看它是否具有零电阻,科学家们正在进行这种类型的实验。

博科园|研究/来自:康奈尔大学

参考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1591-7

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