人造金剛石傳感器實現(xiàn)高溫超導體新突破

2023/02/08 來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載 點擊量：

美國加利福尼亞大學物理教授Dmitry Budker和以色列的內(nèi)蓋夫本古里安大學最近共同發(fā)表研究，稱發(fā)現(xiàn)了人造金剛石傳感器能夠探測到高溫超導體中的微磁場，這一發(fā)現(xiàn)或?qū)⒔鉀Q科學領(lǐng)域中諸多懸而未決的技術(shù)難題。研究成果發(fā)表在2月份的Physical Review 上。

　　高溫超導體的一些物理性質(zhì)和現(xiàn)象雖在1987年就被一些科學家研究并獲得諾貝爾獎，但其中的某些技術(shù)至今仍然未突破；而金剛石傳感器技術(shù)的應(yīng)用則大大有助于對這些技術(shù)瓶頸的理解和解決。勞倫斯伯克利國家實驗室的研究員Budker介紹道。

　　高溫超導體是諸如釔和鉍等材料在絕對零度（-280°F）以上被降溫到180華氏度時發(fā)生超導現(xiàn)象的導體；而低溫超導體在絕對零度以上僅需降低幾度就可以實現(xiàn)超導。早在28年前當科學家首次發(fā)現(xiàn)高溫超導體時就曾預料，未來科技將很快會實現(xiàn)室溫超導體的無損電傳輸和磁懸浮列車等技術(shù)。在無損電傳輸方面，用超導材料做成的超導電纜用于輸電，那么在輸電線路上的損耗將降為零。 而在磁懸浮列車方面，裝備了超導磁體的列車，其時速將達到500km?h以上。而這些先進技術(shù)的實現(xiàn)，都需要借助人造金剛石傳感器來實現(xiàn)對高溫超導材料的突破性研究。

　　"金剛石傳感器技術(shù)或?qū)椭覀冊诟邷爻瑢w技術(shù)和理論方面實現(xiàn)新的飛躍",內(nèi)蓋夫本古里安大學的Ron 和Folman評價道。

　　金剛石的顏色有黃色、橙色和紫色等等，這些顏色是從金剛石碳結(jié)構(gòu)的瑕疵缺陷中產(chǎn)生的；有一些碳原子可能還會被硼元素所取代，從而吸收或放射出光束中的一種特定顏色。

　　隨著人造金剛石技術(shù)的發(fā)展和成熟，科學家們發(fā)現(xiàn)可以通過植入雜質(zhì)的方法來改變金剛石的某些光學性質(zhì)。實驗中，Ron 和Folman利用氮原子來"敲擊"人造金剛石的碳原子，使其結(jié)構(gòu)表面留下一些"洞洞",這些"洞洞"也即那些被"敲擊"掉的碳原子留下的空位；然后再對這些空位進行加熱，使其四處移動并和氮原子配對結(jié)合，最終形成氮空位中心（NV中心）。對于那些帶負電荷的NV中心，當它們再次放射光芒時，這些光線對于磁場就非常敏感并可以通過激光光譜來讀出相關(guān)數(shù)據(jù)，這就使得金剛石傳感器技術(shù)得以實現(xiàn)。
 

　　Folman還補充道，金剛石的色心能夠展現(xiàn)獨特量子特性，這是其它材料所不具備的。

　　金剛石傳感器的傳感靈敏度和分辨率特性非常優(yōu)越，其工作溫度要比超導量子干涉儀（一種磁力計）的工作溫度高出許多，工作適應(yīng)性更強；從而更適合輔助科學家們?nèi)パ芯扛邷爻瑢w。Budker說，超導材料的磁探測技術(shù)和設(shè)備現(xiàn)今并不是沒有，而在現(xiàn)有的技術(shù)水平上，我們更需要一個像金剛石傳感器這樣的工作性能超強超好的設(shè)備來實現(xiàn)技術(shù)的進一步突破。

　　研究小組利用金剛石傳感器去探測釔鋇銅氧（YBCO）超導體薄片，YBCO是迄今為止兩種最普遍最常見的高溫超導體材料之一。工作人員將金剛石傳感器和YBCO結(jié)合在一個芯片上，然后用它來探測常態(tài)傳導向超導性變化的過程。工作人員發(fā)現(xiàn)，在傳導性變化過程中金剛石傳感器探測到了細微的渦流磁，這種渦流磁在材料轉(zhuǎn)化為超導體的過程中若隱若現(xiàn)，時而消失時而出現(xiàn)；這一發(fā)現(xiàn)對于理解高溫超導技術(shù)至關(guān)重要。

　　Folman說："我們的實驗已經(jīng)證明高溫超導體能夠被金剛石傳感器所探測研究，那么下一步我們將研制靈敏度和分辨率更高的傳感器來研究單個的渦流磁；希望通過人造金剛石傳感器能夠發(fā)現(xiàn)一些以往技術(shù)沒有觸及到的新特性，新領(lǐng)域".

　　該研究工作得到了北約科學和平計劃、美國國家科學基金會和加州大學伯克利分校基礎(chǔ)科學研究所的贊助和支持。（編譯自'Colored diamonds are a superconductor's best friend'）