研究成果

莊天明助研究員與國際團隊在「科學」期刊發表實驗證據支持磁性媒介的高溫超導配對理論

刊登日期:2012-05-04

超導體中,電子會形成庫柏電子對(Cooper Pair),使電子在晶格中移動時不會產生電阻。來自台灣、日本、英國與美國的研究團隊,藉由量測鐵基高溫超導體中庫柏電子對的內部電子聯結強度,證實磁性對高溫超導具有關鍵性的影響。實驗也檢驗此強度與電子移動方向的關聯性,進一步驗證了理論的預測。科學家希望未來這類理論可用在檢視及設計更高溫的超導體。這項研究成果發表在5月4日發行的「科學」期刊(Science 336, 563 (2012))。

科學家一直對高溫超導體有極大的興趣,因為這些材料可在絕對溫度155K下傳輸電流而無耗損(攝氏零下110度)。透過瞭解這些化合物的性質,未來可廣泛應用在節能科技。然而高溫超導的成因已經困惑了科學家近三十年。許多科學家相信物質內藉由磁性媒介的電子間交互作用是關鍵。於2008年發現的鐵基超導體進一步為這個想法提供了另一個有力的證據,因為它們的母系化合物(parent compound)像銅基高溫超導體有類似的反鐵磁性。但決定磁性在鐵基超導的角色是個複雜問題,因為每個鐵原子有五個電子貢獻磁性。為查明是否電子間磁交互作用產生超導,科學家必須量測所謂異向性超導能隙(anisotropic superconducting energy gap)。此物理量可顯示庫柏電子對在動量空間中不同方向的鍵結強度差異。

許多理論學家們針對以磁性為主的電子配對機制發展出不同的高溫超導理論,並預測符合這些理論的實驗結果將會是如何。研究團隊運用所發展的技術-多能帶的Bogoliubov準粒子干涉實驗(multi-band Bogoliubov quasiparticle scattering interference)發現實驗結果吻合理論預測的特徵。本文共同通訊作者中研院莊天明博士指出「儘管理論學家預測超導能隙異向性的存在,但由於複雜的電子結構,計算這效應的大小仍是非常的困難。我們的量測結果不僅在定性上與理論預測吻合,並且提供理論學家關鍵資訊以發展定量的高溫超導理論。」研究團隊下一步將利用這項技術來鑑定這項理論是否在其他鐵基超導體依然適用。

這項研究成果是在團隊領導者美國康乃爾大學Séamus Davis教授的超微震實驗室進行,並由台灣中央研究院、英國University of St Andrews、美國康乃爾大學、美國Brookhaven National Laboratory與日本產業技術總合研究所共同完成。英國團隊成員Andy Mackenzie教授評論,「科學研究逐漸成為國際共同參予的事務,我們這次成功的合作是個最好的例子,每個團隊都獲益良多,更重要的是藉國際合作使科學發展更進一步。」
這項研究由下列單位共同支持:中央研究院奈米科技研究計畫,美國DOE Office of Science,美國 National Science Foundation,the Japan Society for the Promotion of Science,英國Engineering and Physical Sciences Research Council與 Royal Society Wolfson Research Merit Award。

網站連結: http://dx.doi.org/10.1126/science.1218726

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