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美国科学家发现改善高温超导体传导电流新机制

美国能源部Brookhaven国家实验室的科学家领导的国际合作研究小组发现了高温超导体新的电流传导机理，该机理解释了高温超导体中钙元素的加入使超导体电流传输能力增加的原因。这一发现与当前的理论解释完全不同，为改善高温超导体的导电能力开辟了新的途径即通过在高温超导体中加入类似钙元素的添加剂以提高电流的传输能力成为可能。这一研究成果发表在2005年5月26日出版的《自然》科学杂志上。

理论上讲，高温超导体就是没有电阻的导体。对于大多数实际应用于电子设备和输电线路的便宜的高温超导材料，内部是由许多微小的晶粒组成。晶粒之间的晶界对携带电荷的粒子而言就象障碍物，从而阻碍电流的流动。

美国能源部Brookhaven国家实验室的科学家利用人们熟知的、由钇、钡、铜、氧元素组成的YBCO超导材料进行研究。在这之前科学家已经发现在

YBCO材料晶界上添加钙元素会改善电荷的流动，改善的原因似乎是钙原子改变了晶界上的电荷结构。但最新的研究意外地发现晶界上钙原子的位置与以前的理论解释完全不同，加入钙元素后YBCO超导体电流传导性改善的原因实际来自YBCO超导体化学结构的变化。

发表在《自然》杂志上的该篇文章的第一作者、Brookhaven实验室的物理学家Robert

Klie说：“在YBCO超导体的晶界上，钙原子置换了部分钡原子和铜原子。在原子排列紧密的区域，钙原子置换了原子半径较大的钡原子，缓解了导体内部的应力；相反在原子排列稀松的区域，钙原子置换了原子半径较小的铜原子，也使附近应变区域的应力得到减缓。这种原子的置换调整了晶界上原子的排列结构，增加了带电粒子通过晶界的路径。这一发现令人意外还在于，以前我们只认为钙元素能改善了YBCO超导体晶界的电流传导性；但现在我们的发现意味着原子尺寸相近的元素同样能改善超导体的电流传导能力，也许有些元素比钙元素更有效。”

Kile与该篇文章的另一作者、Brookhaven实验室的科学家朱逸梅做出这一发现是在Oak

Ridge国家实验室通过扫描投射电镜得到的。他们用的这种电镜具有较高的图象分辨能力，同时可用高能电子束确定微小区域的成分和结构组成。研究人员通过该电镜首先观察到YBCO超导体内晶界的原子组成形貌，然后通过分析确定出加入钙元素后材料的原子结构和化学成分。

该项目属于国际合作研究，其中YBCO超导样品由德国G?ttingen大学制作，样品的电学性能检测最初由朱逸梅小组在Brookhaven实验室进行。合作研究成员还包括Vanderbilt大学、加利福尼亚大学和东京大学。

该项研究得到美国能源部基础能源科技局的支持，目前仍在合作研究。