研究人员详细介绍了超导可果美金属家族中从未见过的特性

量子计算的巨大进步，每月只需要充电一次的智能手机，悬浮和超快速度移动的火车。像这样的技术飞跃可能会彻底改变社会，但只要超导性 - 没有阻力或能源浪费的电流 - 还没有被完全理解，它们在很大程度上仍然是遥不可及的。

该技术实际应用的主要限制之一是，使超导成为可能的材料通常需要在极冷的温度下才能达到该电效率水平。为了绕过这个限制，研究人员需要清楚地了解不同的超导材料在原子尺度上的样子，因为它们通过不同的物质状态过渡成为超导体。

布朗大学实验室的学者与一个国际科学家团队合作，已经向最近发现的超导可果美金属家族揭开这个谜团迈出了一小步。在一项新的研究中，他们使用了一种结合核磁共振成像和量子建模理论的创新策略来描述这种超导体在103开尔文处的微观结构，这相当于275华氏度以下约0度。

研究人员描述了这种奇异物质状态的特性，这被认为是物理评论研究中的第一次。最终，这些发现代表了朝着在更高温度下工作的超导体稳步前进的新成就。可以在室温(或接近室温)下工作的超导体被认为是凝聚态物理学的圣杯，因为它们将在功率效率方面开辟巨大的技术机会，包括电力传输，运输和量子计算。

“如果你要设计一些东西并使其商业化，你需要知道如何控制它，”布朗物理学教授Vesna Mitrović说，他是该大学凝聚态核磁共振小组的负责人，也是这项新研究的合著者。“我们如何描述它?我们如何调整它才能得到我们想要的东西?嗯，第一步是你需要知道微观状态是什么。你需要开始建立一个完整的画面。

这项新研究的重点是超导体RbV3Sb5，它由金属铷钒和锑制成。这种材料因其独特的原子结构而得名，类似于具有相互连接的星形三角形的篮子编织图案。可果美材料之所以吸引研究人员，是因为它们提供了对量子现象的洞察力，连接了物理学的两个最基本的领域——拓扑量子物理学和凝聚态物理学。

来自不同小组的先前工作确定，当温度降低时，这种材料会经历一系列不同的相变，形成具有不同奇异特性的不同物质状态。当这种材料达到103开尔文时，晶格的结构发生变化，材料表现出所谓的电荷密度波，其中电荷密度上下跳跃。理解这些跳跃对于描述超导体等量子材料中电子行为的理论的发展非常重要。

在这种类型的戈薇金属中以前没有看到的是，在研究人员正在研究的温度下，这种晶格和电荷顺序的物理结构是什么样子的，这是金属开始在不同物质状态之间转换的最高温度状态。

使用结合核磁共振测量和称为密度泛函理论的建模理论的新策略，用于模拟原子的电结构和位置，该团队能够描述晶格变化成的新结构及其电荷密度波。

他们表明，该结构从具有标志性的大卫之星图案的2x2x1图案转变为2x2x2图案。发生这种情况是因为当温度变得非常寒冷时，戈薇晶格会自行反转。研究人员表示，它过渡成的新晶格主要由单独的六边形和三角形组成。他们还展示了当他们取RbV3Sb5结构的一个平面并旋转它时，这种模式是如何连接的，从不同的角度“凝视”它。

“就好像这个戈薇现在变成了这些复杂的东西，一分为二，”米特罗维奇说。“它拉伸晶格，使戈薇在一个平面上变成六边形和三角形的组合，然后在下一个平面上，当你旋转半圈后，它会重复自己。”

研究人员说，探测这种原子结构是提供这种超导材料转变成的物质奇异状态的完整描述的必要步骤。他们认为，这些发现将导致进一步推动这种形成及其性质是否有助于超导性，或者是否应该抑制它以制造更好的超导体。他们使用的新的独特技术也将使研究人员能够回答一系列全新的问题。

“我们知道这是什么，我们的下一个工作是弄清楚与低温下其他奇怪阶段的关系 - 它是否有帮助，它是否竞争，我们能否控制它，我们能否在更高的温度下发生，如果它有用的话?”米特罗维奇说。“接下来，我们不断降低温度并学习更多。

实验研究由布朗大学和博洛尼亚大学的联合研究生Jonathan Frassineti，帕尔马大学的Pietro Bonfà和两名布朗学生Erick Garcia和Rong Cong领导。 理论工作由Bonfà领导，而所有材料都是在加州大学圣巴巴拉分校合成的。

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