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美國麻省理工大學(MIT)研究人員發現,在超導材料的厚度、溫度和電阻之間滿足一種新的數學關係:材料的超導性與薄膜厚度、臨界溫度和薄膜電阻成比例。所有超導體中都存在這種關係。這一發現揭示了超導的性質,有望帶來設計更好的超導線路,用在量子計算和超低能耗計算中。相關論文發表在最近的《物理評論快報B輯》上。
據物理學家組織網近日報道,“利用這一知識,我們能造出比以往更大面積的設備,產量也會顯著提高。”論文第一作者、MIT電子設備研究實驗室博士後亞欽·伊夫裏說,“薄膜讓人們更接近‘從超導到絕緣’的轉變。超導是取決於電子集體行爲的一種現象,只要讓材料越來越小,就能開啓這種集體行爲。”
伊夫裏專門研究氮化鈮薄膜。氮化鈮是一種熱門超導材料,因爲從它的“體形”來看,它的“臨界溫度”相對較高。臨界溫度是從普通金屬變爲超導體的轉折點。但像大多數超導體一樣,把它沉澱在納米設備上作爲薄膜時,臨界溫度更低。
在以往理論框架中,氮化鈮的臨界溫度是膜厚度或室溫下檢測電阻的函數。研究小組進行了一系列實驗,他們保持厚度或“薄膜電阻”(單位面積的材料電阻)不變而改變其他參數,然後檢測臨界溫度的變化。結果一種清晰的關係顯現出來:厚度乘以臨界溫度等於一個常數A除以薄膜電阻的B次冪:dTc=ARs-B,d爲薄膜厚度,Tc爲臨界溫度,Rs爲薄膜電阻,A、B爲常數。
推導出這一公式後,伊夫裏查了過去46年相關文獻中多種超導材料的數據,進行再次檢驗。拓寬到其他超導體後,他發現對每種新材料,公式中的常數A和B都是不同的,但方程通式對三十多種不同的超導體都適用。而且A和B之間呈直線關係,由此還能把公式中的常數簡化爲一個。更有趣的是,在AB關係直線的兩端,材料有着完全不同的物理性質。在頂端是高度混亂無序的,在底端則更加有序。
“迄今爲止還沒有一個廣爲接受的理論,能從臨界溫度和薄膜電阻、厚度之間的關係上解釋這麼多種材料。目前有許多模型,但不能預測這麼多。”法國替代能源與原子能委員會超導研究員克勞德·查普爾說,“這對技術應用來說非常便利。以往在成果出來以前,沒人知道設計的超導膜能否用於設備,現在按這個法則來選,事先就已知道它是不是好用。”(常麗君)