日本jst網(wǎng)站2015年8月22日披露，日本理化研究所與科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)共同發(fā)表文章稱：由最先進(jìn)的模擬計(jì)算解開了“為何碳原子聚集成足球的球狀就能成為高溫超導(dǎo)體”的多年之謎。
日本理化研究所(理研)創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心的計(jì)算物質(zhì)科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的酒井志朗研究人員、有田亮太郎組的組長、東京大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科野村悠祐研究生、意大利國際高等研究所的馬西莫·卡彭教授等組成的國際共同研究小組發(fā)現(xiàn)了作為分子性固體具有最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)移溫度的富勒烯固體的超導(dǎo)機(jī)理。
碳元素能夠成為寶石(鉆石)、也能成為鉛筆的芯(石墨)，是具有各種各樣形態(tài)的獨(dú)特元素，而眾所周知60個(gè)碳原子聚集成球狀就構(gòu)成了富勒烯分子。這種分子進(jìn)一步聚集所制作的晶體，并在間隙中插入堿性原子就可制成具有絕對(duì)溫度約40K的高溫超導(dǎo)體，而這種超導(dǎo)體形成的機(jī)理存在著如下的未解明的問題，為什么富勒烯固體能夠成為高溫超導(dǎo)體呢?我們長期被這個(gè)謎團(tuán)所包圍。
一般來說，超導(dǎo)體中的電子是成被稱之為庫珀電子對(duì)而成雙地運(yùn)動(dòng)的。由迄今為止的實(shí)驗(yàn)研究中已經(jīng)明確了富勒烯固體中形成了庫珀電子對(duì)。另一方面，眾所周知富勒烯的分子中電子之間作用著很強(qiáng)的庫侖排斥力。實(shí)際上，富勒烯之間的距離稍微擴(kuò)大，就因其庫侖排斥力的作用導(dǎo)致由超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟亟^緣體的絕緣狀態(tài)。單純地來考慮，具有相同符號(hào)電荷的電子由于庫侖排斥力的作用阻礙了庫珀電子對(duì)的形成導(dǎo)致很難實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)。這樣，為什么強(qiáng)庫侖斥力作用的富勒烯固體中能夠形成庫珀電子對(duì)就成為長期未解之謎。
國際共同研究小組不使用富勒烯固體的結(jié)晶構(gòu)造以外的實(shí)驗(yàn)信息，而開發(fā)解析超導(dǎo)狀態(tài)的方法論，使用超大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行了大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算。從十萬K能量級(jí)別的電子狀態(tài)計(jì)算開始，聚焦至由何狀態(tài)出現(xiàn)超為焦點(diǎn)，最終成功再現(xiàn)了幾次出現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)移發(fā)生的誤差不足10K的驚人精度。另外，超導(dǎo)態(tài)的詳細(xì)分析結(jié)果表明富勒烯固體中原子的振動(dòng)和庫侖排斥力的作用特異地相互協(xié)助實(shí)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)。這種機(jī)理顯示出原子振動(dòng)和庫侖排斥力的相互輔助作用是與傳統(tǒng)的超導(dǎo)機(jī)理有本質(zhì)的不同。上述的研究成果于8月21日刊登在美國的科學(xué)雜志《Science Advances》上。
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