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【基础前沿】铋单晶中发现超导,超导理论遇到重大挑战
柏岩 2016-12-05
导语

就在上周,Science期刊上发表了一篇有关超导的文章,研究者表示在非常接近绝对零度下,即-273.15摄氏度度,铋会变成超导体。这个发现使现有的超导理论处于危险境地。​


就在上周,Science期刊上发表了一篇有关超导的文章,研究者表示在非常接近绝对零度下,即-273.15摄氏度度,铋会变成超导体。这个发现使现有的超导理论处于危险境地。

在元素周期表中,铋(Bismuth)是看起来最奇怪的元素之一,但是它的内在性质却更加奇怪。

自发现超导以来,为什么在低温下某些金属的电阻会消失一直是个谜题,直到1957年,巴丁、库珀和施里弗提出BCS理论(获得了1972年诺贝尔物理学奖),其微观机理才得到一个令人满意的解释。BCS理论认为移动电子会形成“电子对”,在晶格中可以无损耗的运动,就会形成超导电流。

根据BSC理论,超导材料中应该具有丰富的自由流动的移动电子,也就是说如果要呈现出超导性,每个原子就需要有一个移动电子。但是在铋中,每10万个原子中只有一个移动电子。由于载流子密度(即单位体积的电子数量)是如此之小,科学家并不认为铋会变成超导体。

除了这个事实外,铋在室温下具有非常高的电阻,它的热导率要比任何金属(除了水银)都要低。科学家在过去几十年中一直尝试发现在铋是否具有超导性,但这并不是一件容易的事情。即使科学家把铋冷却至非常低的温度(低至0.01开尔文),依然没有发现铋显示出任何超导性,因此在20年前科学家就放弃了这样的尝试。

但是总有人有着不放弃的精神,Ramakrishnan和他的团队就是这群人,它们继续尝试,当他们把温度降低至0.00053开尔文,科学家苦苦追寻的超导现象发生了。

他们的发现却使我们不得不怀疑BCS理论的可靠性,因为金属并没有足够的电子可以使他们配对,但为什么还可以产生超导性?尽管科学家已经在这一领域付出了巨大努力,但是我们对超导现象的理解依然不够,我们需要一个新的机制来解释这一新发现。

文章链接:

Om Prakash, et al, "Evidence for bulk superconductivity in pure bismuth single crystals at ambient pressure," Science  01 Dec 2016, DOI: 10.1126/science.aaf8227

(本文来源:材料书生;)

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  • 超导理论
  • 铋单晶
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文章评论(1)
李明[北京航空航天大学]

总有人有着不放弃的精神

589天前 | 回复
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作者 柏岩

硕士生

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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