麻省理工学院RiccardoComin教授试图阐明高温超导器件的微观物理学以促进其技术应用

物理学助理教授Riccardo Comin（左）和物理学研究生AbrahamLevitan在样品架上组装接触器，他们将把它置于低温光谱仪中，来观察研究高电流对超导材料钇钡铜氧化物的影响。这种装置使研究人员能够在电压或电流偏差下进行温度低至4开尔文的拉曼光谱分析。

图片来自：Denis Paiste /材料研究实验室

医用核磁共振成像、高功率微波发生器、超导磁能储存单元和核聚变反应堆中的螺线管是非常不同的技术，但这些技术都十分依赖于超导材料在紧凑空间中携带和存储大电流的能力，而不会过热或消耗大量能量。

尽管它们具有非凡的性能，但大多数超导材料都有其自身的一系列要求，例如医用核磁共振成像需要冷却到液氦温度。不过，物理学助理教授Riccardo Comin表示，与铜和其他日常材料相比，超导体的效率是如此之高，以至于用特殊的低温电路冷却它们的成本，与以热的形式转换(并最终浪费)所节省的能源相比，是微不足道的。

“当你试图让大电流通过像铜这样的传统电路时，由于材料的电阻有限，会有大量的散热，”他说。“这就是能力损失。因为超导体可以支持电子流动而不会耗能，这意味着你可以通过超导体运行非常大的电流，而超导体不会升到高温，这种电流称为超电流。”

“你可以在超导体中注入电流，然后让它流动，”Comin说。“然后，超导体基本上可以像电池一样工作，但不是像锂离子电池那样以电压差的形式储存能量，而是以超电流的形式储存能量。”然后你可以提取和利用电流，这就像从电池中充电一样。”

超导体与传统导体的区别在于，在后者中，你必须在两个不同的点之间施加电势来通过电流，而在前者中，你可以启动电流，然后移除电压，保持系统不变，就会有持续的电流通过材料。

Comin进一步解释说：“你已经启动了一种电子的运动或流动，那么它将永远存在，遵守量子力学定律而不会消散。从某种意义上来说它是超流体，因为其电子的流动不会遇到阻力或摩擦。所以即使你移除了产生该流动的初始源，它也会像在无摩擦的电子流体中一样继续下去。”

这种电子的超流动性是物质的量子态，因此它的行为方式与传统物理学不同。Comin说，它已经在许多需要大电流或大磁场的大功率应用中使用。

由于超导体可以承受非常大的电流，因此它们能以相对较小的体积存储大量能量。但即使是超导材料也无法承受无限的电流，如果超过临界电流密度，它们就会失去其特殊的性能。对于最先进的超导电缆，它的临界电流密度超过每平方厘米10兆安。相比之下，铜的最大电流密度为每平方厘米500安培，相当于100瓦钨丝灯泡的电流密度。

虽然使超导体关闭时的临界电流是已知的，但当超导体接近临界状态时，材料内部纳米尺度会发生什么仍是未知的，然而它可能是设计更高弹性的超导电缆和器件的关键。

今年秋天，麻省理工学院的三位研究人员获得了美国空军青年研究项目的资助，Comin是其中之一。这项为期三年、价值45万美元的奖励将使Comin公司能够继续研究一种特殊超导材料——钇钡铜氧化物 (YBCO)在大电流驱动下会发生什么。

“研究在驱动大电流通过超导体时的电响应，这对于表征超导电路至关重要，但是表明材料中所发生事情的大量微观信息还有待揭示，”他说。“超导体在运行条件下，当大电流通过它们时，其纳米级的物理特性，正是我们感兴趣的。”

“这在某种程度上是一个新的方向，我们不仅在不受干扰的状态下研究材料，比方说，只是作为温度的函数，但不应用任何类型的扰动，如电流或场。现在我们正朝着一个方向前进，我们正在研究材料在大电流条件下驱动时会发生什么，大电流非常接近基于这些超导电路的设备或机器内部的电流，” Comin解释说。

与在核磁共振机器中需要液氦冷却（约4开尔文）的铌—锡合金不同，YBCO在较高的液氮温度下具有超导性。这很重要，因为液态氮（约77开尔文，或零下320.4华氏度）比氦气更丰富，使用成本更低，Comin说。

但还有另一个代价。与具有延展性、易于成形的传统金属或导体（如铜）相比，YBCO是一种脆性陶瓷，必须在类似于老式盒式录音带的基座上浇铸成二维层。

“它有一个分层结构，因此它形成了二维原子片，它们之间存在弱耦合，并且它与传统金属看起来非常不同，”Comin说。Comin将在麻省理工学院的实验室和国家实验室研究这种材料，同时在液氮温度附近，甚至低于液氮温度下施加高电流。

虽然超导在液氮温度下起作用，但由于材料受到越来越大的电场，其他电子状态或相，如电荷密度波，在超导停止之前就开始与之竞争。

“当你开始削弱超导性时，其他电子相开始觉醒，它们开始竞争对材料的控制权，”他说。他计划探索超导相与其他寄生相之间的平衡如何变化，因为超导电性在高电流时会减弱。

“这些（其他阶段）是否开始接管或者它们是否处于休眠状态？”Comin问道。“在一种情况下，电子想要在没有耗散的情况下流动，而在另一种情况下，它们被卡在原地并且不能像交通拥堵中的汽车一样四处移动。”

电荷密度波中的电子不会像在超导体中那样自由运动，也不会有任何耗散，而是倾向于停留在某些区域。

“有些地区有更多的电子，有些地区有更少的电子，所以如果你试图想象这些电子的空间结构，你就会看到它像波浪一样摆动，”Comin解释道。“你可以想象一个沙丘上的沙波纹景观。是什么驱使电子组织成超流体状态而不是形成静态的，波状的图案还不清楚，这是我们希望在超导体开始屈服于其他竞争趋势的临界条件下发现的。

这项研究工作的最终目的是阐明当非超导区域内的竞争相开始在临界条件下扩散时，持久电流或超电流是如何在这些区域内流动的。

“在这个由空军科学研究办公室支持的项目中，我们希望获得对这些超导设备的纳米级物理学的新见解，这些见解可以转移到未来的超导体技术上，”Comin说。

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