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南京大学闻海虎、杨欢教授等发现铁基超导磁通

发布时间:2019-12-01 11:00编辑:产品评测浏览(60)

    对于第II类超导体,当磁场大于下临界场时,磁场会以量子化的磁通形式分布在超导体中,每个磁通量是 h/2e。磁通芯子里面的电子是近乎处于正常态,而外围是超导态。超导体中的磁通在物理和应用上都有重要的研究意义。由于单电子被束缚在磁通芯子内,形成磁通束缚态。早在1964年,Caroli-de Gennes-Matricon 就从理论上预言了磁通束缚态应该是分离的量子态,能级大小为Eμ= ± μΔ2/EF,μ = 1/2, 3/2, 5/2, …。其中Δ是超导能隙,EF是费米能。在绝大部分超导体中,费米能很大,因此磁通中的分离量子态不同分离能级之间的能量间距很小,从实验上观察到的基本条件(T/Tc<<Δ/EF)很难满足,因此磁通中的分离量子态从理论预言至今没有被真正观测到。

    上周的公众科学日

    南京大学物理学院闻海虎教授团队在铁基超导体FeTe1-xSex中利用扫描隧道显微镜对磁通态进行了深入细致的研究。他们成功观测到了磁通芯子里面的分离量子态,如下图1所示,观测到了对应能量为+0.45、+1.2、+1.9 meV,分别对应理论上预言的1/2级、3/2级、5/2级磁通束缚态尖峰。经过仔细分析,他们发现,能够成功观测到这些分离量子态的主要原因是费米能很小,偏离BCS理论的描述。他们工作的意义是首次清晰地观测到了54年前理论上预言的磁通芯子中分离的量子态,并且证明了该铁基超导体具有很小的费米能,对铁基超导机理研究具有重要的推动作用。该工作于近期发表在Nature Communications上面,见【Nature Communications 9, 970 。

    不知道大家玩得开心不开心

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    其实那天我们默默地在园区里立了一块巨大的板子...不知道你们有没有注意到

    图1. FeTe1-xSex中观测到的磁通和磁通束缚态。 0.48 K, 4 T下观测到一个较规则的磁通。 沿着图a中的3号线路径测量的隧道谱。在磁通中心附近测量的隧道谱如图,可以明显看到磁通CdGM束缚态的分离能级

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    他们提取出分离量子态的峰对应能量值及强度随距离变化的信息如图2a,b所示。可以看出,束缚态的尖峰强度随着远离磁通中心而减弱,但对应能量几乎不随着距离变化,这与理论预言相吻合,进一步证明了它是分离的磁通束缚态。相关分离量子态的特征在图2d中表现更加明显,在正能一侧,可以清晰地看到三条平行的量子态的峰,直到离开磁通区域才消失。这些特征符合量子极限下的磁通CdGM束缚态。利用0.45 meV作为磁通CdGM束缚态的最低能级,结合超导能隙从1.1 meV到2.1 meV,可以计算出对应的费米能级EF为1.3~4.9 meV,证明了该材料具有很浅的能带和很小的费米能量,这一点偏离BCS理论的描述,对铁基超导机理的理解具有促进作用。

    不知道你还有没有印象,当时有没有去合个影啥的

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    其实这块默默无闻的背景板

    图2. 磁通束缚态的能量位置及相应强度随距离的关系。 E1/2, E3/2, E5/2的尖峰能量位置随距离变化关系。 E1/2, E3/2, E5/2的尖峰强度随距离变化图。 过磁通中心的线谱,红线表示磁通中心位置的隧道谱。 过磁通线谱的轮廓图,红色虚线表示磁通中心。

    背后藏着关于量子和超导的惊天大秘密

    该最新成果是闻海虎教授团队独立完成的。扫描隧道显微镜、隧道谱测试和分析部分是由陈明扬同学、陈晓宇同学、杨欢教授和闻海虎教授完成;样品制备杜增义博士和祝熙宇副教授完成;陈明扬同学、陈晓宇同学为共同第一作者;杨欢和闻海虎为共同通讯作者;闻海虎协调了整个工作进展。相关文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-018-03404-8

    不知道你看出来没有

    此工作得到教育部一流学科建设,国家重点专项“量子调控项目”,自然科学基金委和2011计划“人工微结构和量子调控项目”的支持,在此表示感谢。

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    (物理学院 科学技术处)

    (我觉得应该基本没有)

    图片 5量子力学" style="width:60%;margin:1rem auto">

    {"type":1,"value":"Quantum Mechanics

    跨界在物理学家里面好像根本不是个事。完成双缝干涉实验证明光的波动性的托马斯 · 杨,被喊去帮忙破解古埃及的象形文字;提出了两朵乌云的开尔文勋爵,在上大学的时候还喜欢赛艇;写下E=hν的普朗克,钢琴管风琴大提琴那叫一个样样精通。

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    现在大家都知道,两朵乌云里面的其中一朵最后演变成了量子力学。而关于背景板的故事,就要从量子力学开始说起。

    在量子力学的世界里面一切都变得不太一样了。人们描述一个微观粒子的时候,需要用量子态,而不是经典意义下的位置和速度。平时大家所说的波函数,其实是一个量子态在坐标空间中的具体表示。当然,我们可以跑到其它的空间中去看量子态长啥样,比如说动量空间。

    图片 7「由于你长时间没理你的小宝宝,ta 已经进入休眠状态了」这是我们常用的对态的理解,和量子态也有异曲同工之妙" style="width:60%;margin:1rem auto">

    {"type":1,"value":"在理论上,大家都喜欢用量子数来表示一些量子态,也被称为本征态。举个例子,在量子的弹簧里面,能量是一个个分立的能级,不能连续变化,因为可以用 0 来标记能量最低的能级对应的量子态,向上依次用 1,2,3… 等。这些量子态之所以被称为本征态,是因为它们都具有特定的能量。而这个系统里其它的量子态,都可以分解为这些本征态的和。

    量子态我们平时看不到,甚至波函数我们平时也看不到,那么我们现在怎么研究这些磨人的小妖精呢?

    图片 8「意外隧穿」怎么办" style="width:60%;margin:1rem auto">

    {"type":1,"value":"Quantum Tunnelling

    随着现在对物理学的研究的不断深入,科学家们探索的脚步早就踏入到原子的世界之中,为了能够研究原子级别的「小」秘密,自然就需要「偷窥」这里面电子。现在咱们继续说说,怎么用量子实现「偷窥」。

    图片 9当然,常规的观测方法肯定看不到原子那么小的东西" style="width:60%;margin:1rem auto">

    {"type":1,"value":"前面也提到了,进入量子的世界以后,微观粒子不再有经典的位置和速度,而是以一定的概率分布在空间之中。假如这个电子的能量很高,自然可以来去自由;但是万一这个电子的能量不那么高的话,虽然没那么自由了,但是仍然有可能越过束缚着它的崇山峻岭,带上它的「小」秘密私奔,从原子里跑出来。这里面的道理大概就和旅游一样,如果你手头有点富裕的话,飞机高铁交通工具随便选,来去自由;如果手头没啥钱的话,勒一勒裤腰带攒一攒钱,这个世界也大可去得。

    图片 10实在没办法,就只能被带着出门被动出门了。这在原子里面也不是没有……比如高能 X 射线轰击原子,就能把里面的内层电子打出来" style="width:60%;margin:1rem auto">

    {"type":1,"value":"所以如果我们距离这个原子更近,在我们关心的能量范围内的电子更多,就能够收集到更多的电子。根据距离随收集到的电子数量的变化关系,就能够画出材料表面每一点的电子的多少,以及电子的分布图了。

    当然,世界上没有方法是万能的。前面这些话的前提是你能够收集到这些电子,但是在一些系统中,电子都藏得很深,根本没有机会发生「意外」,自然也就无从获得里面的秘密。

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    机械硬盘 vs 固态硬盘

    关于意外隧穿,其实可以多说一点。它虽然有那么一丢丢「偷窥」的本事,但其实在我们经常用的芯片里面,最怕。以前我们都说摩尔定律,我们平时用的芯片上的电子元件密度,每18个月要翻一番。最近已经听得比较少了,是因为这个定律渐渐失效了。

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