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人造金刚石传感器实现高温超导体新突破

来源:本站 最后更新:2018-11-02 15:54:22 作者:佚名 浏览:390次

美国加利福尼亚大学物理教授Dmitry Budker和以色列的内盖夫本古里安大学最近共同发表研究,称发现了人造金刚石传感器能够探测到高温超导体中的微磁场,这一发现或将解决科学领域中诸多悬而未决的技术难题。研究成果发表在2月份的Physical Review 上。

       高温超导体的一些物理性质和现象虽在1987年就被一些科学家研究并获得诺贝尔奖,但其中的某些技术至今仍然未突破;而金刚石传感器技术的应用则大大有助于对这些技术瓶颈的理解和解决。劳伦斯伯克利国家实验室的研究员Budker介绍道。

       高温超导体是诸如钇和铋等材料在绝对零度(-280°F)以上被降温到180华氏度时发生超导现象的导体;而低温超导体在绝对零度以上仅需降低几度就可以实现超导。早在28年前当科学家首次发现高温超导体时就曾预料,未来科技将很快会实现室温超导体的无损电传输和磁悬浮列车等技术。在无损电传输方面,用超导材料做成的超导电缆用于输电,那么在输电线路上的损耗将降为零。 而在磁悬浮列车方面,装备了超导磁体的列车,其时速将达到500km•h以上。而这些先进技术的实现,都需要借助人造金刚石传感器来实现对高温超导材料的突破性研究。

       “金刚石传感器技术或将帮助我们在高温超导体技术和理论方面实现新的飞跃”,内盖夫本古里安大学的Ron 和Folman评价道。

       金刚石的颜色有黄色、橙色和紫色等等,这些颜色是从金刚石碳结构的瑕疵缺陷中产生的;有一些碳原子可能还会被硼元素所取代,从而吸收或放射出光束中的一种特定颜色。

       随着人造金刚石技术的发展和成熟,科学家们发现可以通过植入杂质的方法来改变金刚石的某些光学性质。实验中,Ron 和Folman利用氮原子来“敲击”人造金刚石的碳原子,使其结构表面留下一些“洞洞”,这些“洞洞”也即那些被“敲击”掉的碳原子留下的空位;然后再对这些空位进行加热,使其四处移动并和氮原子配对结合,最终形成氮空位中心(NV中心)。对于那些带负电荷的NV中心,当它们再次放射光芒时,这些光线对于磁场就非常敏感并可以通过激光光谱来读出相关数据,这就使得金刚石传感器技术得以实现。



       Folman还补充道,金刚石的色心能够展现独特量子特性,这是其它材料所不具备的。

       金刚石传感器的传感灵敏度和分辨率特性非常优越,其工作温度要比超导量子干涉仪(一种磁力计)的工作温度高出许多,工作适应性更强;从而更适合辅助科学家们去研究高温超导体。Budker说,超导材料的磁探测技术和设备现今并不是没有,而在现有的技术水平上,我们更需要一个像金刚石传感器这样的工作性能超强超好的设备来实现技术的进一步突破。

       研究小组利用金刚石传感器去探测钇钡铜氧(YBCO)超导体薄片,YBCO是迄今为止两种最普遍最常见的高温超导体材料之一。工作人员将金刚石传感器和YBCO结合在一个芯片上,然后用它来探测常态传导向超导性变化的过程。工作人员发现,在传导性变化过程中金刚石传感器探测到了细微的涡流磁,这种涡流磁在材料转化为超导体的过程中若隐若现,时而消失时而出现;这一发现对于理解高温超导技术至关重要。

       Folman说:“我们的实验已经证明高温超导体能够被金刚石传感器所探测研究,那么下一步我们将研制灵敏度和分辨率更高的传感器来研究单个的涡流磁;希望通过人造金刚石传感器能够发现一些以往技术没有触及到的新特性,新领域”。

       该研究工作得到了北约科学和平计划、美国国家科学基金会和加州大学伯克利分校基础科学研究所的赞助和支持。(编译自‘Colored diamonds are a superconductor’s best friend’) 

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