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計量論壇

標(biāo)題: 錫納米粒子量子殼效應(yīng)被證實 [打印本頁]

作者: 兌水 時間: 2010-6-13 07:57
標(biāo)題: 錫納米粒子量子殼效應(yīng)被證實
德國斯圖加特的馬普固體研究所專家利用隧道掃描顯微鏡研究錫納米粒子證實，金屬粒子的電阻損耗與粒子大小有關(guān)，當(dāng)金屬粒子呈納米狀態(tài)時，材料獲得超導(dǎo)性能的溫度會大幅增加。因此，在粒子足夠小的前提下，通過量子效應(yīng)可增強金屬粒子超導(dǎo)性能60％。這一理論還可預(yù)測粒子的納米精度，并為開發(fā)室溫環(huán)境下的超導(dǎo)電線提供了新的研究方向，這項研究成果刊登在最新出版的《自然材料》雜志上。
　　理論上，超導(dǎo)電線可以做到在夏天高溫環(huán)境下也能無電力損耗傳輸，但目前即使最好的超導(dǎo)體也只能在低于零下170攝氏度環(huán)境下達(dá)到零電阻。雖然實現(xiàn)室溫超導(dǎo)目標(biāo)仍有距離，但馬普固體研究所的這項研究，使材料獲得超導(dǎo)的臨界溫度有了很大提高，并在實驗室里生產(chǎn)出了具有一定直徑的球狀金屬納米粒子。
　　馬普固體研究所所長克勞斯·克恩介紹說，超導(dǎo)體有一個所謂殼效應(yīng)，這個效應(yīng)可以提高材料的超導(dǎo)性能。很早就有物理學(xué)家預(yù)言，量子力學(xué)也存在一個殼效應(yīng)理論，即類似電子在單個原子排列中形成的電子殼，在金屬納米粒子里也存在著電子殼。在電子殼中一定數(shù)量的電子容易構(gòu)成庫珀電子對，它可以沒有阻力地在材料中移動，電子在電子殼中聚集的數(shù)目取決于金屬粒子的大小和形狀。
　　利用實驗來證實預(yù)言的量子力學(xué)殼效應(yīng)是極其復(fù)雜的，為此馬普研究人員先在一個極端真空條件下用錫和鉛金屬生成金屬納米顆粒，顆粒直徑控制在1納米至50納米。然后利用馬普所自己開發(fā)的一種特殊隧道掃描顯微鏡，研究納米粒子在溫度接近絕對零度，即零下273攝氏度的電子特性。通過極高分辨率的隧道掃描顯微鏡，研究人員確定了每個粒子的超導(dǎo)能隙，從超導(dǎo)能隙測算出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的臨界溫度。
　　實驗顯示，錫納米粒子的超導(dǎo)能隙對粒子大小反應(yīng)非常敏感，既不是持續(xù)減少，也不是穩(wěn)步增加，而是在兩者間跳躍式變化。克勞斯·克恩稱：“這看起來就像噪音的頻譜，但卻符合理論的預(yù)言。”在達(dá)到臨界溫度時，納米粒子中只有1納米的一小部分發(fā)生變化。鉛納米粒子的反應(yīng)比錫納米粒子要更弱，這兩種材料在粒子小于4納米時，都不會產(chǎn)生超導(dǎo)性能。
　　研究人員伊萬·布里韋加表示：“雖然50年前就有物理學(xué)家對殼效應(yīng)理論的預(yù)言，但現(xiàn)在我們首次對單個粒子進(jìn)行了證實。”由于所有材料都可以出現(xiàn)量子力學(xué)殼效應(yīng)，它們可以被用來提高許多材料的超導(dǎo)性能，克勞斯·克恩認(rèn)為：“通過材料的納米結(jié)構(gòu)化，量子工程開啟了超導(dǎo)材料一個全新視角，并提供了非常有前途的技術(shù)前景。”

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