为什么钙改善高温超导体

美国能源部的科学家’S Brookhaven National实验室已发现证据证明为什么将少量钙添加到普通的高温超导体,显着增加了材料可以携带的电流量。

该研究可能是开发高温超导材料的商业应用的第一步。结果出现在2004年5月15日的物理审查信件。

布鲁克海文国家实验室:
为什么钙改善高温超导体

美国能源部的科学家’S Brookhaven National实验室已发现证据证明为什么将少量钙添加到普通的高温超导体,显着增加了材料可以携带的电流量。该研究可能是开发高温超导材料的商业应用的第一步。结果出现在2004年5月15日的物理审查信件。

”分类为高温超导体的许多材料仅以单晶形式表现出良好的性质,实际上是不适合实际应用的,例如高效电线,因为它们的散装组成—单晶颗粒—扰乱电子的流动,”纪义朱说,这是一个带领研究的布鲁克哈武文物理学家。

”但是对于实际应用,其中需要运输大电流,例如电力电缆,必须使用多晶形式。与其单晶对应物相比,这些多晶材料携带非常低的电流,” he said.

这是由于谷物边界的问题—在相邻谷物之间创建的接口。在晶界,进入电子减速或改变方向,从而损失动力并将失去的能量释放为热量。这导致边界跨越电子流量—完全相反”good”超导体行为。

研究人员理论晶界处的电压屏障是这个问题的原因。现在,布鲁克霍文科学家已经发现证据支持这种理论。

”我们发现为什么谷物边界是限制这些材料中电流的主要因素,”这本文说:布鲁克海文物理学家Marvin Schofield’s principle author.

”通过了解晶界行为,我们可以通过改进的属性来工程晶粒边界。这是超导体研究中的一项重大挑战,这可能导致高温超导材料的商业化,这些材料可以在不久的将来彻底改变我们日常生活的高温超导材料。”

全球科学家研究了YBCO,一个名为它所包含的元素的高温超导体—钇,钡,铜和氧气。他们知道它是明显更好的时候”doped”用钙,但尚未知道,直到现在,为什么这是真的。 Brookhaven科学家通过将钙掺杂的YBCO与未掺杂的YBCO比较来确定这一点。

证据表明了谷物边界内的区域,其中相邻的谷物最不匹配。为了使这一点可视化,在基于英寸的一个基于英寸的厘米的尺寸,其中每个标尺上的刻度标记表示两个相邻的略微不同的晶粒的晶体结构中的原子的位置。在某些情况下,标记将匹配,几乎与其他情况相匹配,并且在其余部分中完全错位。

在未掺杂的YBCO中,科学家发现,电子在最具未对准的区域中遇到最多的电阻,电压屏障宽且高。掺杂YBCO钙导致这些区域宽度和高度缩小。因此,斯基菲尔德和他的同事确定钙掺杂增加了晶粒边界的电流35%。

为了执行研究,布鲁克霍夫科学家使用YBCO”bicrystal,”一种晶体生长为仅包含一个晶界,就像两个非常大的谷物合并在一起。 BicryStALS的电磁特性很好地表征,允许研究人员确定在钙掺杂时在边界处的电子发生在电子上发生的情况,用作整体材料的模型。 Bicrystals消除了在材料样本中分离成千上万的一个边界的不可能的任务。

为了密切研究双晶晶界,科学家们使用了透射电子显微镜(TEM),该装置使用电子作为微小探头”see”内部材料。将样品放在TEM内并用电子轰击。当电子通过样品时,它们被散射远离材料的带电区域。当它们出现时,它们携带有关样品内的电气和磁场的信息。然后通过称为电子全息术的方法检索该信息。

”用电子全息术,”斯洛维斯解释说,”我们可以确切地看到材料中的电子在晶界处看到了什么。因此,这种方法需要我们越来越靠近理解角色晶界在真实材料的性质中发挥作用。”

本研究中的其他合作者有助于德国的Brookhaven Lab和Karsten Guth和Christian Jooss的Marco Beleggia。该工作由美国能源部基本能源科学办公室提供资金’S科技厅和德国研究基金会。



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