美國研究人員發現描述超導材料性質數學公式

美國麻省理工大學(MIT)研究人員發現，在超導材料的厚度、温度和電阻之間滿足一種新的數學關係：材料的超導性與薄膜厚度、臨界温度和薄膜電阻成比例。所有超導體中都存在這種關係。這一發現揭示了超導的性質，有望帶來設計更好的超導線路，用在量子計算和超低能耗計算中。相關論文發表在最近的《物理評論快報B輯》上。

據物理學家組織網近日報道，“利用這一知識，我們能造出比以往更大面積的設備，產量也會顯著提高。”論文第一作者、MIT電子設備研究實驗室博士後亞欽·伊夫裏説，“薄膜讓人們更接近‘從超導到絕緣’的轉變。超導是取決於電子集體行為的一種現象，只要讓材料越來越小，就能開啓這種集體行為。”

伊夫裏專門研究氮化鈮薄膜。氮化鈮是一種熱門超導材料，因為從它的“體形”來看，它的“臨界温度”相對較高。臨界温度是從普通金屬變為超導體的轉折點。但像大多數超導體一樣，把它沉澱在納米設備上作為薄膜時，臨界温度更低。

在以往理論框架中，氮化鈮的臨界温度是膜厚度或室温下檢測電阻的函數。研究小組進行了一系列實驗，他們保持厚度或“薄膜電阻”(單位面積的材料電阻)不變而改變其他參數，然後檢測臨界温度的變化。結果一種清晰的關係顯現出來：厚度乘以臨界温度等於一個常數A除以薄膜電阻的B次冪：dTc=ARs-B，d為薄膜厚度，Tc為臨界温度，Rs為薄膜電阻，A、B為常數。

推導出這一公式後，伊夫裏查了過去46年相關文獻中多種超導材料的數據，進行再次檢驗。拓寬到其他超導體後，他發現對每種新材料，公式中的常數A和B都是不同的，但方程通式對三十多種不同的超導體都適用。而且A和B之間呈直線關係，由此還能把公式中的常數簡化為一個。更有趣的是，在AB關係直線的兩端，材料有着完全不同的物理性質。在頂端是高度混亂無序的，在底端則更加有序。

“迄今為止還沒有一個廣為接受的理論，能從臨界温度和薄膜電阻、厚度之間的關係上解釋這麼多種材料。目前有許多模型，但不能預測這麼多。”法國替代能源與原子能委員會超導研究員克勞德·查普爾説，“這對技術應用來説非常便利。以往在成果出來以前，沒人知道設計的超導膜能否用於設備，現在按這個法則來選，事先就已知道它是不是好用。”(常麗君)