美國萊斯大學量子材料中心（RCQM）研發出新型合金材料

來自美國萊斯大學量子材料中心（RCQM）的物理學家們最近研發出了一種新型合金材料，能夠為人們提供關于高溫超導性微觀起源的一些有用線索。這種合金材料由萊斯大學物理學家Pengcheng Dai的研究生Yu Song在實驗室內制備得到，其主要組成配方包括鐵、鈉、銅和砷元素等，該小組已經將其研究成果以論文的形式發表在了期刊《Nature Communications》上。

 

主要工藝介紹

Dai和Song所采用的方法步驟主要涉及到在純氬氣氛圍中將上述幾種組分充分混合，然后密封在一個鈮罐中，最后在將近1000攝氏度的高溫下對其進行烘烤。最終得到一種具有分層結構的合金材料，鐵和銅被分離成交替的帶狀結構。“這種條紋帶狀對于材料在解釋高溫超導性的起源方面是至關重要的”。萊斯大學量子材料中心主任Qimiao Si說道。

 

“通過形成這種規律的模式，Yu Song已經從物理上消除了體系中的混亂，這對于了解一些關于材料中的電子行為是非常關鍵的”。近二十年來一直致力于解釋高溫超導性和類似現象起源的物理學家Si說道。

 

高溫超導現象

高溫超導現象于1986年被發現。超導現象發生時電子發生配對并且能夠在具有分層結構的合金中自由移動，例如Song所制備的這種新型合金材料。到目前為止，已經有幾十種高溫超導合金材料被陸續制備出來，其中大多數都是包含有過渡族金屬（通常為鐵和銅）以及一些其他元素的復雜晶體。

 

高溫超導體在室溫下通常是導電性能很糟的導體，只有當它們被冷卻到一個較低的臨界溫度時才能成為超導體。

萊斯大學研究生Yu song利用鐵、鈉、銅和砷等材料制備出了一種新型合金材料，

能夠為人們提供關于高溫超導性微觀起源的一些有用線索。

圖片來源：Jeff Fitlow/Rice University

 

“高溫超導的核心問題是精確理解這兩個基本狀態和它們之間相轉變的關系”，萊斯大學的物理學教授Dai說道：“宏觀變化一般都是非常明顯的，但對于這種現象的微觀原因的解釋則是多樣化的，很大程度上是因為其中存在著許多變量，而且這些變量之間的關系是協同且非線性的”。

 

據Dai教授所說，在這個領域一開始到發展至今，共誕生了兩種主要的學術說法。一種認為高溫合金材料的這兩種狀態最終都是源自于流動的電子，畢竟這些材料都是金屬材料，即使它們可能都是一些主族元素。另一種說法則認為高溫超導基本上屬于一種新的物理現象，由于電子-電子相互作用，在一個溫度臨界點處高溫超導材料從一個相態轉變到另一個相。Dai教授還表示Song所制備的新材料的測量結果更加支持后一種理論說法。值得一提的是，這種新材料還是一種被稱之為pnictides鐵基高溫超導類中的首個成員，能夠在兩個競爭相中相互轉變：電子流動毫無阻礙的超導相，以及電子被困住而不能移動的Mott絕緣相。

新的層狀材料的晶體結構，其中包括鐵（藍色）和銅（紅色）的交替帶狀條紋，

這種帶狀條紋對于材料在解釋高溫超導性的起源方面是至關重要的。

圖片來源：Yu Song/Rice University

 

Yu研究發現這種合金材料的兩相之間具有更多的關聯，Dai說道：“這是第一次發現存在可以從超導相連續調諧到Mott絕緣相的鐵基超導體。”

 

萊斯大學量子材料中心的研究人員制備了一些樣品并進行了實驗測試，此外，在安大略的加拿大中子束中心、馬里蘭州的國家標準與技術研究所的中子研究中心、紐約的布魯克海文國家實驗室、田納西州的橡樹嶺國家實驗室（高通量同位素反應堆）以及瑞士的保羅謝勒研究所（先進的共振光譜技術）等地方進行了額外的測試。

 

“在發表的這篇論文中，我們發現如果電子間相互作用較弱，那么即使采用銅替代50%的鐵仍然不足以產生絕緣狀態，”Si說道：“我們實驗成功的將這種體系轉變成了Mott絕緣相，這為pnictides鐵基材料中存在較強的電子-電子相互作用提供了直接的證據。這是高溫超導研究過程中非常重要的一步，因為這表明高溫超導現象與較強的電子間相互作用具有密切的聯系”。