这三朵浪花不是孤立无关,超导这种联系的共同基础是,超导相变发生在费米电子的振荡频率小于晶格振子的振荡频率之时,如果把高频率的振子比作墙壁,低频率的振子比作乒乓球,那么超导相变也就是发生在费米电子由墙壁转变成了乒乓球的时候。一个乒乓球在两块木板之间可以借助反复弹跳运动,一路走到很远的地方,这就是超导态。但是一块木板要一路撞开乒乓球才能一路走下去,能量必定会被耗散掉,这就是非超导态。对于液态的地核物质铁来说,它受到的压缩作用是如此的巨大,所以它的晶格振子的频率就天然的够高的了,只需要降低一下费米电子的振荡频率就成了。 为了承受地壳的巨大向心压力,铁原子核之间的前线电子轨道将由吸引势变成排斥势,继续压缩,仅凭反键轨道结构来提供斥力已经远远不够了。这些电子中必须有一小部分被挤压出去,直接由铁原子核的同性电荷相斥作用来反抗地心压力。根据等离激子的振荡频率与自由电子浓度的平方根成正比的关系,地核液态铁的电子外逸正好降低了费米电子的振荡频率,所以地核液态铁是处于超导态的。固体金属的超导态相变就没那么容易了。固体材料的晶格格点之间的结合力越强,该材料的晶格格点本征振荡频率就越大。 但室温下任何材料的晶格格点都存在无序热运动,这种无序热运动的动能,在量子力学里是把它处理成排斥势。同时把对结合力有贡献的作用处理成吸引势,然后两者加在一起作为一个势能项来解薛定谔方程的。要想提高固体材料的晶格格点本征振荡频率,就须降低格点的无序热运动。随着温度的降低,大量的有自旋值的电子通过晶格交换声子,而凝聚成没有自旋值的库伯电子对,剩下的少量的有自旋值的电子,就有了较低的等离激子振荡频率,可以实现由木板角色向乒乓球角色的转化。可以超导相变的铜氧化物中的自由电子,浓度可能在降温过程中变化不大,但铜氧化物晶格的结合力,可能在降温过程中有突跃式的提高,从而实现两者相对波硬度的反转。材料的弹性模量越大,自旋独立的电子浓度的允许值就越大,超导态下的饱和电流强度就越大,实用意义就越大。 三维量子霍尔效应发现的复旦大学物理学系修发贤课题组,在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到的由三维“韦尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据──类似一个不是竖立而是横向“斜搭梯子”的原理梯形,即类似多层多幅“斜搭梯子”量子卡西米尔效应平板对现象。这种多层多幅“斜搭梯子”平板对,类似微积分计算光滑曲线的积分无限分割曲线为一个个间断的直线片段办法,使修发贤教授才迈向出量子霍尔效应从二维到三维的关键一步的。 这是复旦大学修发贤教授的课题组,在拓扑半金属砷化镉纳米片中,观测到了由韦尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从二维到三维的关键一步。相关研究成果2018年12月18日在线发表于国际著名的《自然》。然而三维量子霍尔效应真的存在吗?早在130多年前,美国物理学家霍尔就发现,对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是“霍尔效应”──如果将电子限制在二维平面内,在强大的磁场作用下,电子的运动可以在导体边缘做一维运动,变得“讲规则”“守秩序”。 以往的实验也证明,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。比如说这间屋子,除了上表面、下表面,中间还存在一个空间。在“天花板”或者“地面”上,电子可以沿着“边界线”有条不紊地做着规则运动,一列朝前,一列向后,像是两列在各自轨道上疾驰的列车。那么,在立体空间三维体系中存在量子霍尔效应吗? 如果有,电子的运动机制是什么?2014年在拓扑半金属领域,选择材料体系非常好的砷化镉“试着研究”,从大块的体材料,到大片的薄膜,再到纳米类结构和纳米单晶,在砷化镉纳米片中看到的现象非常震惊──三维体系里边出现量子霍尔效应──2016年10月修发贤及其团队,第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应。随后,在样品制备过程中借鉴修发贤团队前期已发表的经验,日本和美国也有科学家在同样的体系中观测到了这一效应。但遗憾的是,基于当时的实验结果,实际的电子运动机制并不明确。 把“房子”放歪──这类似量子霍尔效应的斜搭梯子原理,即不是竖立而是横向“斜搭梯子”的原理,这种梯形类似多层多幅“斜搭梯子”的量子卡西米尔效应平板对现象──这个发现来源于韦尔轨道的运动机制──实验材料虽小,从日常生活联系想办法,利用楔形样品,实现可控的厚度变化──屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化,就类似不是竖立而是横向“斜搭梯子”倾斜的梯形。 而且通过测量量子霍尔平台出现的磁场,可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现,电子在其中的运动轨道能量,直接受到样品厚度的影响。这说明随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。所以,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明,电子在上表面走四分之一圈,穿越到下表面,完成另外一个四分之一圈后,再穿越回上表面,形成半个闭环,这个隧穿行为是无耗散的,所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。整个轨道就是三维的“韦尔轨道”──实现了从二维到三维量子霍尔效应的斜搭梯子原理。 例子是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源,至此三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。但这个成果的诞生,在砷化镉的研究方面才刚刚开始──第一次提出新的机制,得到认可,但还有可以深挖的,还有更具体的东西得继续做细做好。所以三维量子霍尔效应类似斜搭梯子的原理,由复旦大学物理学系修发贤课题组,在拓扑半金属砷化镉纳米片中首次观测到开始,由三维“韦尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。三维量子霍尔效应类似斜搭梯子原理发现的意义,从基于三维拓扑半金属材料Cd3As2,发现一种新型的量子霍尔效应,提出了三维量子霍尔效应的来源于三维“韦尔轨道”的观点。 利用楔形Cd3As2纳米片,发现样品厚度对量子霍尔输运产生极大的调制。朗道能级与磁场强度以及方向,以及样品厚度的依赖关系,与理论预测符合。在应用方面这个材料体系具有非常高的迁移率,电子的传输和响应很快,可以在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。可见斜搭梯子,这也为实现从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子,到寻找螺旋梯子的出现奠定了基础和扩大了想象思考的空间。 G、三维量子霍尔效应的螺旋梯子原理 2018年《科技日报》12月19日记者张梦然报道,英国《自然》杂志发布2018年度遴选出的十位对科学界产生重大影响的科学人物,其中四川出生的年仅22岁的中国物理学家曹原,协助发现了让石墨烯实现超导的方法,开创了物理学一个全新的研究领域,有望最终帮助提高能源利用效率与传输效率。从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子、斜搭梯子、螺旋梯子等三个层次的原理,联系反过来看曹原及其团队的发现,再到与复旦大学修发贤教授课题组发现的比较,在用量子色动化学使用的量子卡西米尔效应原理来统一解释上,和薛其坤院士团队的发现,也有本质一致的地方。 曹原将两层石墨烯叠加在一起,当转角接近魔角即1.1°、同时温度环境达到1.7K(-271℃)时,它们会表现出非常规超导电性,其属性与铜氧化物的高温超导性类似双层石墨烯系统中旋转的效应。其实要想理解什么是超导电性。1911年荷兰物理学家昂内斯等人发现当汞被冷却至接近0K(-273℃)时,电子可以通行无“阻”,而将这个““零电阻状态”称为“超导电性”。超导体的出现,使传输过程中的能量损耗几乎为零。目前绝大多数超导体仅在接近0K(-273℃)温度下工作,维持低温使超导体的应用成本显著提升。如果材料能在室温下实现超导,就能避开昂贵的冷却费,彻底改变能量传输、医疗扫描仪和运输等相关领域的现状。但要找到室温超导合适的材料却不简单。目前材料达到超导状态的最高温度约为133K(-140℃),这种材料就是在20世纪80年代发现的铜氧化物。30多年来铜氧化物一直是物理学家关注的焦点,但铜氧化物的结构往往难以调整,很难通过实验发现其实现超导的机制。 从三维量子霍尔效应的螺旋梯子原理解读曹原的超导研究工作,就是用石墨烯代替氧化铜,让两层石墨烯沿着法向轴相对旋转一度以形成轴向绝缘体,用电场注入载流子代替掺杂配方注入载流子,结果再次证明了高速公路的运力与最佳车辆密度有关。而曹原将两层石墨烯迭加在一起,当转角接近魔角即1.1°的超导现象,其本质的量子卡西米尔效应平板对原理,并没有实质性的变化。这里的奥秘,从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子,仍然属于二维面的直线联系,上下面之间的距离小,增大距离费力。三维量子霍尔效应的斜搭梯子,上下面之间的距离可增大,类似直搭梯子上下面小距离的多层迭加,所以上下面之间的直线距离可增大,实现三维量子霍尔效应类似人爬直搭梯子少费力,但斜搭梯子比直搭梯子类似占地方面积最多。 总起来说,螺旋梯子搭梯子继承斜搭梯子上下面小距离的多层迭加,且占地方面积少,类似人爬梯子费力比直搭梯子也少,实现三维量子霍尔效应的上下面之间的距又可增大。读曹原论文,由此其中最重要发现的旋转双层石墨烯在接近魔角时,会经过一个转变变成一个莫特绝缘体,也确实类似“魔角”──而曹原以确凿的证据,也观测到了这个绝缘相──这就是螺旋梯子原理。
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