超越超导体极限的“极速”技术

好了，我得跟你们聊聊物理学界一件真正令人兴奋的事情，我保证，即使你上化学课时没怎么听讲，我也能让你听得明白。

超导体基本上就是材料科学界的“摇滚明星”。当你将某些材料冷却到极低的温度时（我们说的是比外太空还要冷的温度），神奇的事情发生了：电阻降到了真正的零。零！这意味着电流可以永远在其中流动而不会损失任何能量。没有热量，没有浪费，只有纯粹、完美的流动。

通常情况下，电子就像是在拥挤的高速公路上试图挤过去的急躁司机。它们会撞到原子，损失能量，产生热量，并普遍导致“交通堵塞”。但在超导体中，电子会配对形成所谓的“库珀对”（Cooper pairs），并开始同步移动——几乎就像是一支编排完美的舞团，而不是一群混乱的个体舞者。

问题所在

然而，这些超导体有一个弱点。它们能承受的电流是有极限的，否则情况就会变得混乱。科学家称之为“临界电流”——你可以把它理解为材料在开始吃力工作之前的最大负荷。

在大多数情况下，超导体的失效并不是因为某种根本性的物理限制。它们失效是因为一种叫做“涡旋”（vortices）的现象——即磁场悄悄穿透材料的微小区域。当你通过的电流过大时，这些涡旋就会开始移动，产生摩擦和热量，最终导致整个系统崩溃。

这就像是一个完美的平滑溜冰场，但有人撒了一堆粘性贴片，当你移动太快时，它们就会让你减速。

巧妙的解决方案

现在，精彩的部分来了（这里绝对不是在开冷笑话）。

马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的一个团队决定“走捷径”。他们没有缓慢地向超导体中注入电流，而是向其施加了极短的电流脉冲——我们说的是皮秒级别。一皮秒是一万亿分之一秒。作为参考，眨一下眼大约包含30万亿个皮秒。

逻辑是什么？涡旋移动的速度是有限的（每秒几十公里），而在一个皮秒的时间里，它们几乎纹丝不动——我们谈论的距离仅为纳米级。通过在如此微小的窗口期内传递电脉冲，研究人员可以在涡旋来得及制造麻烦之前，将电流提升到极高的水平。

第一作者 Eryin Wang 完美地描述了这一点：“我们的策略是跑赢涡旋动力学。”

这就像如果你能飞速跑过一片雷区，快到地雷还没来得及爆炸你就已经过去了。技术上讲，你仍然走在同样的危险空间里——你只是没给障碍物被激活的机会。

两种材料，两种截然不同的性格

研究人员测试了两种不同的超导体，以观察它们对这种“极速”方法的反应：NbN 和 YBCO。

NbN 的表现就像一个有非常明确临界点的人。它一直保持超导状态，直到达到一个特定的阈值——然后突然间，剧烈地停止了。库珀对基本上是同时破碎的。这是一种尖锐、果断的失效，就像绳索在承受过大张力后最终崩断一样。

另一方面，YBCO 的表现更像是缓慢的衰退。随着电流的增加，它的超导性逐渐减弱。这是因为 YBCO 具有更复杂的内部结构——它的超导特性会根据测量方向的不同而变化，有点像木材顺着纹理比横着纹理更坚固一样。

这为什么很重要

真正酷的地方在于：通过使用这些超快脉冲，科学家现在可以触及超导性的真正基本极限——即他们所说的“解配电流”（depairing current）。这是库珀对本身开始分裂的临界点，而不仅仅是涡旋制造麻烦的临界点。

理解这一点可能会带来用于各种应用场景的更优质的超导体：更强大的核磁共振机、更快的量子计算机、更高效的输电线，甚至是悬浮在磁场上的磁悬浮列车。

我们不仅仅是在挑战现有材料的极限——我们正在发现隐藏在触手不及之处的全新物理现象。

说实话，这真的很令人兴奋。

来源： ScienceDaily