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IT之家 3 月 9 日報道,超導(dǎo)材料是一種具有劃時代意義的材料,其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,涵蓋醫(yī)療保健、能源傳輸以及量子計算等多個重要領(lǐng)域。然而,超導(dǎo)材料存在一個顯著的局限性——它們只能在極低溫度下工作,接近絕對零度,這一限制使得超導(dǎo)材料的潛力未能得到充分釋放。為了解決這一難題,科學(xué)家們一直在致力于開發(fā)室溫超導(dǎo)材料,但始終面臨一個關(guān)鍵問題:超導(dǎo)性是否存在一個上限溫度?
這個問題的答案對于確定超導(dǎo)體是否能在室溫下存在至關(guān)重要。例如,如果存在一個低于室溫的理論上限溫度,那么實現(xiàn)室溫超導(dǎo)體從根本上來說是不可能的。近日,倫敦瑪麗女王大學(xué)的研究團隊終于找到了答案。在他們的最新研究中,揭示了影響超導(dǎo)溫度上限的因素以及適合超導(dǎo)性的最高溫度范圍。
研究作者們深入分析了基本物理常數(shù)的作用,包括電子質(zhì)量、普朗克常數(shù)、電子電荷以及精細結(jié)構(gòu)常數(shù)。這些常數(shù)“決定了從原子穩(wěn)定性到恒星形成以及對生命至關(guān)重要的碳和其他元素的合成”等諸多現(xiàn)象。例如,在任何固體中,原子由于熱能會圍繞固定位置振動。這些振動的速度取決于兩個關(guān)鍵因素:鍵強度和原子質(zhì)量,而這兩個因素又由量子力學(xué)和電磁學(xué)決定,而量子力學(xué)和電磁學(xué)則受到基本常數(shù)的制約。
通過對這些常數(shù)如何影響原子相互作用的分析,研究作者們發(fā)現(xiàn),這些常數(shù)對固體材料中原子振動的速度設(shè)定了嚴(yán)格的上限。這意味著材料中原子的集體振動——即聲子的頻率存在一個最大可能值。在許多超導(dǎo)材料中,聲子在電子配對(庫珀對)過程中起著至關(guān)重要的作用,從而實現(xiàn)超導(dǎo)性。聲子的頻率影響這種配對的強度,進而決定了超導(dǎo)性能夠發(fā)生的最高溫度(TC)。
由于基本常數(shù)對聲子頻率設(shè)定了上限,它們也對超導(dǎo)材料中TC的上限施加了理論限制。研究作者指出:“超導(dǎo)溫度TC的上限與自然的基本常數(shù)——電子質(zhì)量、電子電荷以及普朗克常數(shù)——內(nèi)在相關(guān)。”
利用這些基本常數(shù),研究作者們確定超導(dǎo)性可以在100開爾文到1000開爾文的溫度范圍內(nèi)存在,這一TC的上限范圍包括了標(biāo)準(zhǔn)室溫值,即293 K到298 K(20到25攝氏度)。
“鑒于我們宇宙的常數(shù),室溫超導(dǎo)在理論上是可能的,這一事實令人鼓舞。它激勵我們繼續(xù)探索、實驗,并突破可能的邊界?!毖芯咳藛T表示。他們聲稱,他們的研究結(jié)果已經(jīng)得到了另一項獨立研究工作的驗證。
IT之家注意到,該研究發(fā)表在《物理學(xué)雜志:凝聚態(tài)物理》上。
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