錫納米粒子量子殼效應被證實

2020-12-05 中國科學院

德國斯圖加特的馬普固體研究所專家利用隧道掃描顯微鏡研究錫納米粒子證實，金屬粒子的電阻損耗與粒子大小有關，當金屬粒子呈納米狀態時，材料獲得超導性能的溫度會大幅增加。因此，在粒子足夠小的前提下，通過量子效應可增強金屬粒子超導性能60％。這一理論還可預測粒子的納米精度，並為開發室溫環境下的超導電線提供了新的研究方向，這項研究成果刊登在最新出版的《自然材料》雜誌上。

理論上，超導電線可以做到在夏天高溫環境下也能無電力損耗傳輸，但目前即使最好的超導體也只能在低於零下170攝氏度環境下達到零電阻。雖然實現室溫超導目標仍有距離，但馬普固體研究所的這項研究，使材料獲得超導的臨界溫度有了很大提高，並在實驗室裡生產出了具有一定直徑的球狀金屬納米粒子。

馬普固體研究所所長克勞斯·克恩介紹說，超導體有一個所謂殼效應，這個效應可以提高材料的超導性能。很早就有物理學家預言，量子力學也存在一個殼效應理論，即類似電子在單個原子排列中形成的電子殼，在金屬納米粒子裡也存在著電子殼。在電子殼中一定數量的電子容易構成庫珀電子對，它可以沒有阻力地在材料中移動，電子在電子殼中聚集的數目取決於金屬粒子的大小和形狀。

利用實驗來證實預言的量子力學殼效應是極其複雜的，為此馬普研究人員先在一個極端真空條件下用錫和鉛金屬生成金屬納米顆粒，顆粒直徑控制在1納米至50納米。然後利用馬普所自己開發的一種特殊隧道掃描顯微鏡，研究納米粒子在溫度接近絕對零度，即零下273攝氏度的電子特性。通過極高解析度的隧道掃描顯微鏡，研究人員確定了每個粒子的超導能隙，從超導能隙測算出現超導現象的臨界溫度。

實驗顯示，錫納米粒子的超導能隙對粒子大小反應非常敏感，既不是持續減少，也不是穩步增加，而是在兩者間跳躍式變化。克勞斯·克恩稱：「這看起來就像噪音的頻譜，但卻符合理論的預言。」在達到臨界溫度時，納米粒子中只有1納米的一小部分發生變化。鉛納米粒子的反應比錫納米粒子要更弱，這兩種材料在粒子小於4納米時，都不會產生超導性能。

研究人員伊萬·布裡韋加表示：「雖然50年前就有物理學家對殼效應理論的預言，但現在我們首次對單個粒子進行了證實。」由於所有材料都可以出現量子力學殼效應，它們可以被用來提高許多材料的超導性能，克勞斯·克恩認為：「通過材料的納米結構化，量子工程開啟了超導材料一個全新視角，並提供了非常有前途的技術前景。」

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