诺贝尔物理学奖成果引领超导体发展

2019-03-19 10:05:24 来源: 汕头信息港

作者:Andrew Silver发表日期:2016年10月7日 12:30

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照片拍摄:Atila Altuntas/(土耳其)阿纳多卢通讯社(Anadolu Agency)/盖帝图像(Getty Images)

今年的诺贝尔物理学奖颁给了三位物理学家Michael Kosterlitz,David J. Thouless和Duncan Haldane,以表彰其发现物质拓扑相与拓扑相转变方面的理论工作。其中的两位科学家揭示了低温下在特定磁体内旋转的原子会产生混乱状态的原因。这个在1970年代开展的理论工作,至今仍在引导着工程师们开发更好更高效的超导体。

在磁体里的每一个原子都像一个微型条形磁体:根据量子力学原理,其自旋指向特定的方向。在一块材料里,如果每一个原子的自旋都指向同一个方向,那么这块材料就相当于一个大的条形磁体。

Michael Kosterlitz和David J. Thouless在低温条件下建立了一个二维铁磁体层状结构模型。他们认为实验表明原子自旋在长距离上并非完全对齐。换句话说,原子自旋没有一起形成一个大的条形磁体。

为解释这一效应,他们引入了“涡旋”(Vortex)的概念:在磁体内部,一小部分原子以特定的取向自旋,构成了类似于“台风眼”的结构。

一位在纽约宾汉姆顿大学(Binghamton University)研究磁性和超导性能的理论物理学家Michael Lawler说:“诺贝尔奖得主的确是个用涡旋去解释在凝聚态物理中意义深远的现象的人。”

在星期二的发布会上,Kosterlitz谈到他的诺贝尔奖成果,他解释说,这一成果现在还没有实际应用,而且它并不会引导任何新的奇特的器件出现,这是因为大部分器件不是二维状态的。

Lawler说在这项发现之后,物理学家开始把目光投向其他内部可能存在涡旋的特殊材料。特别是超导体这种没有电阻并且能使大电流通过相对小的线路的材料。

在未来有良好应用前景的高温超导体由层状结构的二维材料制成,Lawler说道。在超导体中,

诺贝尔物理学奖成果引领超导体发展

旋涡以电子涡流的形式存在,并有无序诱导效应。

了解旋涡机制是非常有用的,Lawler说道。一部分原因是它能帮助研究者弄明白超导体中如何产生电阻。

工程师们可以用去除旋涡的方式优化超导体的性能,也许未来的某一天,超导可以应用于电缆,为更多的人传输更多的电力。例如,《现代物理学评论》(reviews ofmodern physics)在2008年发表了一项研究成果,揭示了紧密耦合的层状结构超导材料可以产生三维旋涡,三维旋涡并不会像二维旋涡那样四处移动,所以它们不会产生那么大的电阻。

除了像Kosterlitz 和Thouless一样在研究导电层的电导性能之外,Duncan Haldane还因研究小型磁体链而出名。诺贝尔奖表彰这些研究者对拓扑学这种元素间局部关系发生变化而全局关系不变的数学问题的研究。

翻译:马卉

校审:王舟

原文链接: ... ved-superconductors

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