锡纳米粒子量子壳效应被证实

德国斯图加特的马普固体研究所专家利用隧道扫描显微镜研究锡纳米粒子证实，金属粒子的电阻损耗与粒子大小有关，当金属粒子呈纳米状态时，材料获得超导性能的温度会大幅增加。因此，在粒子足够小的前提下，通过量子效应可增强金属粒子超导性能60％。这一理论还可预测粒子的纳米精度，并为开发室温环境下的超导电线提供了新的研究方向，这项研究成果刊登在最新出版的《自然—材料学》杂志上。理论上，超导电线可以做到在夏天高温环境下也能无电力损耗传输，但目前即使最好的超导体也只能在低于零下170摄氏度环境下达到零电阻。虽然实现室温超导目标仍有距离，但马普固体研究所的这项研究，使材料获得超导的临界温度有了很大提高，并在实验室里生产出了具有一定直径的球状金属纳米粒子。马普固体研究所所长克劳斯·克恩介绍说，超导体有一个所谓壳效应，这个效应可以提高材料的超导性能。很早就有物理学家预言，量子力学也存在一个壳效应理论，即类似电子在单个原子排列中形成的电子壳，在金属纳米粒子里也存在着电子壳。在电子壳中一定数量的电子容易构成库珀电子对，它可以没有阻力地在材料中移动，电子在电子壳中聚集的数目取决于金属粒子的大小和形状。利用实验来证实预言的量子力学壳效应是极其复杂的，为此马普研究人员先在一个极端真空条件下用锡和铅金属生成金属纳米颗粒，颗粒直径控制在1纳米至50纳米。然后利用马普所自己开发的一种特殊隧道扫描显微镜，研究纳米粒子在温度接近绝对零度，即零下273摄氏度的电子特性。通过极高分辨率的隧道扫描显微镜，研究人员确定了每个粒子的超导能隙，从超导能隙测算出现超导现象的临界温度。实验显示，锡纳米粒子的超导能隙对粒子大小反应非常敏感，既不是持续减少，也不是稳步增加，而是在两者间跳跃式变化。克劳斯·克恩称：“这看起来就像噪音的频谱，但却符合理论的预言。”在达到临界温度时，纳米粒子中只有1纳米的一小部分发生变化。铅纳米粒子的反应比锡纳米粒子要更弱，这两种材料在粒子小于4纳米时，都不会产生超导性能。研究人员伊万·布里韦加表示：“虽然50年前就有物理学家对壳效应理论的预言，但现在我们首次对单个粒子进行了证实。”由于所有材料都可以出现量子力学壳效应，它们可以被用来提高许多材料的超导性能，克劳斯·克恩认为：“通过材料的纳米结构化，量子工程开启了超导材料一个全新视角，并提供了非常有前途的技术前景。”（来源：科技日报顾钢）