美国莱斯大学量子材料中心（RCQM）研发出新型合金材料

来自美国莱斯大学量子材料中心（RCQM）的物理学家们最近研发出了一种新型合金材料，能够为人们提供关于高温超导性微观起源的一些有用线索。这种合金材料由莱斯大学物理学家Pengcheng Dai的研究生Yu Song在实验室内制备得到，其主要组成配方包括铁、钠、铜和砷元素等，该小组已经将其研究成果以论文的形式发表在了期刊《Nature Communications》上。

 

主要工艺介绍

Dai和Song所采用的方法步骤主要涉及到在纯氩气氛围中将上述几种组分充分混合，然后密封在一个铌罐中，最后在将近1000摄氏度的高温下对其进行烘烤。最终得到一种具有分层结构的合金材料，铁和铜被分离成交替的带状结构。“这种条纹带状对于材料在解释高温超导性的起源方面是至关重要的”。莱斯大学量子材料中心主任Qimiao Si说道。

 

“通过形成这种规律的模式，Yu Song已经从物理上消除了体系中的混乱，这对于了解一些关于材料中的电子行为是非常关键的”。近二十年来一直致力于解释高温超导性和类似现象起源的物理学家Si说道。

 

高温超导现象

高温超导现象于1986年被发现。超导现象发生时电子发生配对并且能够在具有分层结构的合金中自由移动，例如Song所制备的这种新型合金材料。到目前为止，已经有几十种高温超导合金材料被陆续制备出来，其中大多数都是包含有过渡族金属（通常为铁和铜）以及一些其他元素的复杂晶体。

 

高温超导体在室温下通常是导电性能很糟的导体，只有当它们被冷却到一个较低的临界温度时才能成为超导体。

莱斯大学研究生Yu song利用铁、钠、铜和砷等材料制备出了一种新型合金材料，

能够为人们提供关于高温超导性微观起源的一些有用线索。

图片来源：Jeff Fitlow/Rice University

 

“高温超导的核心问题是精确理解这两个基本状态和它们之间相转变的关系”，莱斯大学的物理学教授Dai说道：“宏观变化一般都是非常明显的，但对于这种现象的微观原因的解释则是多样化的，很大程度上是因为其中存在着许多变量，而且这些变量之间的关系是协同且非线性的”。

 

据Dai教授所说，在这个领域一开始到发展至今，共诞生了两种主要的学术说法。一种认为高温合金材料的这两种状态最终都是源自于流动的电子，毕竟这些材料都是金属材料，即使它们可能都是一些主族元素。另一种说法则认为高温超导基本上属于一种新的物理现象，由于电子-电子相互作用，在一个温度临界点处高温超导材料从一个相态转变到另一个相。Dai教授还表示Song所制备的新材料的测量结果更加支持后一种理论说法。值得一提的是，这种新材料还是一种被称之为pnictides铁基高温超导类中的首个成员，能够在两个竞争相中相互转变：电子流动毫无阻碍的超导相，以及电子被困住而不能移动的Mott绝缘相。

新的层状材料的晶体结构，其中包括铁（蓝色）和铜（红色）的交替带状条纹，

这种带状条纹对于材料在解释高温超导性的起源方面是至关重要的。

图片来源：Yu Song/Rice University

 

Yu研究发现这种合金材料的两相之间具有更多的关联，Dai说道：“这是第一次发现存在可以从超导相连续调谐到Mott绝缘相的铁基超导体。”

 

莱斯大学量子材料中心的研究人员制备了一些样品并进行了实验测试，此外，在安大略的加拿大中子束中心、马里兰州的国家标准与技术研究所的中子研究中心、纽约的布鲁克海文国家实验室、田纳西州的橡树岭国家实验室（高通量同位素反应堆）以及瑞士的保罗谢勒研究所（先进的共振光谱技术）等地方进行了额外的测试。

 

“在发表的这篇论文中，我们发现如果电子间相互作用较弱，那么即使采用铜替代50%的铁仍然不足以产生绝缘状态，”Si说道：“我们实验成功的将这种体系转变成了Mott绝缘相，这为pnictides铁基材料中存在较强的电子-电子相互作用提供了直接的证据。这是高温超导研究过程中非常重要的一步，因为这表明高温超导现象与较强的电子间相互作用具有密切的联系”。