一沙一世界
ChemiAndy@百度空间
2012-07-05 07:18
【科普】什么是超导？什么是穆斯堡尔谱？
【如果你幻想发明那种科幻片里会飞的飞行器，那你就应该了解什么是超导。如果你想看懂一些关于研究超导的论文，也应该了解一些常用的实验方法，比如穆斯堡尔谱。下面是关于超导的科普文章。】
悬浮在超导材料上空的磁块。超导材料由液氮冷却到约-200摄氏度。
图片来源： wikimedia
什么是超导？？
首先来看什么是超导。中学物理学过，金属可以导电，但是有电阻，电阻会消耗电能，产生热量。因此可以用电炉丝来做饭。不过，当你选高压电线的材料时，你会希望电阻越小越好，减小电能损耗。可是，常温下试验的材料都是有电阻的。然而令人震惊的是，1911年一位荷兰老头发现汞(Hg)在接近绝对零度时(4K)电阻突然消失，产生了无电阻的材料。这被称为超导现象。当然了，你不可能把高压电线都冷却到那么低的温度下去使用，似乎没什么用处。然而，超导体在超导状态下，内部磁场为0，即任何有磁性的东西，它的磁力线都不能穿越超导体，这样，当有磁性的东西靠近超导状态下的超导体时，会被排斥，所以，你可以把一块铁块，甚至一只青蛙悬浮在一个超导体上方！这叫麦斯纳抗磁效应。利用这个原理，你就可以制造磁悬浮火车，或者科幻片里在天空中飞翔的汽车！
那么，为什么会形成超导现象呢？我们知道，你对一块金属两端加电压，金属中的电子会被电场推动而从这个位点跳到另外一个位点，形成电流。一个一个的电子在金属中的这种跳跃运动相当于在轨道上运行的。这些轨道受到金属中的原子核运动的影响，称为电子-声子耦合。声子是原子核运动的一种量子化描述。常温下，电声耦合，和金属中的缺陷、杂质就像电子流动轨道上的坑坑洼洼一样，阻碍电子的流动。在低温下，原子核的运动减慢，轨道变得平缓，这时，一些符合条件的电子可以结合成对，形成“库柏对”，这个神奇的“库柏对”可以导致所谓的“相干态”，正是这种相干态使得材料产生了神奇的“超导”特性。这就是BCS理论对超导的解释。BCS是三个人的名称缩写，他们获得了1972年的诺贝尔物理学奖。
并不是所有的材料都有超导性，只有少数材料能够实现超导，而且不同的材料其超导态转变温度不同。能够在较高温度下实现超导态的材料称为高温超导材料。因为为了使超导体达到超导状态，需要用液氦等来冷却超导体，而制造液氦可不容易，需要消耗大量能量。就像冰箱一样，制造的温度越低，消耗的能量越多。因此，寻找高温超导材料的竞赛，在全世界科学界展开。人么不断发现新的高温超导材料。目前，使用参杂的铜等材料，可以在138K (即-135度)常压下实现超导，加压后最高温度可达170多K。
历年发现的超导体材料的转变温度。横坐标为年代，纵坐标为转变温度，单位为开尔文。右边的纵坐标为对应的冷却剂的凝固点（比如Liquid helium液氦，Liquid hydrogen液氢）或者一些星球的表面温度（Night on the Moon月球阴面；Surface of the Pluto冥王星表面）。图片来源：wikipedia
什么是穆斯堡尔谱？？
研究超导材料，首先要确定超导态转变温度。对超导态和非超导态的同种材料，由于原子核外电子运动状态的改变，其原子核能级也会有所改变。原子核包括中子和质子，它们的不同作用和运动使得原子核也是有能级的。原子核的能级在超导态下有很大不同，因此，可以通过检测原子核能级变化来获知材料的转变温度。怎么检测呢？使用穆斯堡尔谱。
首先，对着材料发射一束与原子核能级跃迁相当的电磁波，当这个电磁波与原子核两个不同能级差一致时，一部分原子核就会吸收这个电磁波，激发到高能态。这叫共振吸收。这样，通过检测投射过的电磁波，看看少了哪个频率的电磁波，就知道原子核的能级分布了。
与原子核能级跃迁相应的电磁波称为伽马射线。在分子原子物理中，与原子振动能级相应的是红外光谱，与价层电子跃迁能级相应的是紫外光谱，与内层电子能级跃迁相应的是x光光谱，而与原子核能级跃迁相应的是伽马光光谱。
然而，如果原子核在较强的随机热运动状态下，原子核会吸收各种不同能量的伽马射线，导致不能清晰观测原子核跃迁能级对应的光频率。怎么办呢? 把材料冷却到极低的温度。这样原子核被束缚在晶格上，消除了绝大部分反冲效应，可以观测到清晰的原子核能级吸收光谱。这就是穆斯堡尔谱。穆斯堡尔因为发现了低温下无反冲的伽马共振吸收光谱，获得1961年诺贝尔物理学奖。
使用穆斯堡尔谱，可以观测原子核与原子核之间的电场和磁场的微弱作用，这种作用称为超精细作用。比如，如果用含3价Fe原子的材料做发射源，用含2价Fe原子的材料做吸收源，因为吸收源Fe原子核外电场的不同，所以它吸收的伽马光的频率要比发射源的频率有所不同，这种偏移称为同质异能位移，意思是同种物质因能级分布不同造成的化学位移。此外，原子核外的磁场，和原子核本身是不是很圆，会使穆斯堡尔谱产生分裂，分别称为四极距分裂，和磁超精细分裂。这些信息都能帮助我们分析材料的性质和变化。
你可能会问，你吸收源吸收的频率和发射源发射的频率不一致，怎么能形成共振吸收？换句话说，被检测材料可能吸收的伽马射线能量在检测前是未知的，你发射源的能量是一定的，是怎么回事呢？聪明的穆斯堡尔设计的方法是，向着或者背着吸收材料匀速移动发射源。这样就会由于发射源的动能，会稍稍改变发射出的光子的能量。这叫多普勒效应。好比一辆啸叫的救护车，当向着你开时，你听到的声音大，远离你时，听到的声音减弱。穆斯堡尔谱中，利用这个原理产生一系列比发射源能量高或者低的伽马射线。因此，一般的穆斯堡尔谱的横坐标都是发射源的移动速度，纵坐标是透射率。一般发射源移动速度是几个毫米每秒。然后可以换算成能级的变化。
红酒煮出超导体？？
把原本不具有超导特性的铁，碲、硫化合物(FeTe1-xSx)放到红酒中煮24个小时，它就会转变成神奇的超导物质！这是2010年一个日本科研机构的一条轰动性的发现。尽管这样煮出来的超导材料的转变温度很低，只有大约8K，但是，其中可能隐藏着制造新的超导材料的秘密。
他们还尝试了不同的酒类，比如啤酒，日本清酒等等，只有红酒煮出来超导体效果最好，而且似乎与酒精之外的其它物质有关，不过他们并不确定是某种单一物质起的作用，还是多种物质的共同作用。
图中横坐标为酒精浓度，啤酒5%，红葡萄酒11%，白葡萄酒酒精浓度11%，日本清酒为15%，烧酒35%，威士忌是40%。纵坐标为超导体积分数，数值越高表明超导体的效果越好。图片来源：科学松鼠会
参考文献
1. Wikipedia：superconductivity (超导)
2. Wikipedia：Mossbauer Spectroscopy(穆斯堡尔谱)
3. 百度文库：穆斯堡尔谱
4. 科学网：红酒煮出超导体
转载请注明来源： ChemiAndy@百度空间：一花一世界
悬浮在超导材料上空的磁块。超导材料由液氮冷却到约-200摄氏度。
图片来源： wikimedia
什么是超导？？
首先来看什么是超导。中学物理学过，金属可以导电，但是有电阻，电阻会消耗电能，产生热量。因此可以用电炉丝来做饭。不过，当你选高压电线的材料时，你会希望电阻越小越好，减小电能损耗。可是，常温下试验的材料都是有电阻的。然而令人震惊的是，1911年一位荷兰老头发现汞(Hg)在接近绝对零度时(4K)电阻突然消失，产生了无电阻的材料。这被称为超导现象。当然了，你不可能把高压电线都冷却到那么低的温度下去使用，似乎没什么用处。然而，超导体在超导状态下，内部磁场为0，即任何有磁性的东西，它的磁力线都不能穿越超导体，这样，当有磁性的东西靠近超导状态下的超导体时，会被排斥，所以，你可以把一块铁块，甚至一只青蛙悬浮在一个超导体上方！这叫麦斯纳抗磁效应。利用这个原理，你就可以制造磁悬浮火车，或者科幻片里在天空中飞翔的汽车！
那么，为什么会形成超导现象呢？我们知道，你对一块金属两端加电压，金属中的电子会被电场推动而从这个位点跳到另外一个位点，形成电流。一个一个的电子在金属中的这种跳跃运动相当于在轨道上运行的。这些轨道受到金属中的原子核运动的影响，称为电子-声子耦合。声子是原子核运动的一种量子化描述。常温下，电声耦合，和金属中的缺陷、杂质就像电子流动轨道上的坑坑洼洼一样，阻碍电子的流动。在低温下，原子核的运动减慢，轨道变得平缓，这时，一些符合条件的电子可以结合成对，形成“库柏对”，这个神奇的“库柏对”可以导致所谓的“相干态”，正是这种相干态使得材料产生了神奇的“超导”特性。这就是BCS理论对超导的解释。BCS是三个人的名称缩写，他们获得了1972年的诺贝尔物理学奖。
并不是所有的材料都有超导性，只有少数材料能够实现超导，而且不同的材料其超导态转变温度不同。能够在较高温度下实现超导态的材料称为高温超导材料。因为为了使超导体达到超导状态，需要用液氦等来冷却超导体，而制造液氦可不容易，需要消耗大量能量。就像冰箱一样，制造的温度越低，消耗的能量越多。因此，寻找高温超导材料的竞赛，在全世界科学界展开。人么不断发现新的高温超导材料。目前，使用参杂的铜等材料，可以在138K (即-135度)常压下实现超导，加压后最高温度可达170多K。
历年发现的超导体材料的转变温度。横坐标为年代，纵坐标为转变温度，单位为开尔文。右边的纵坐标为对应的冷却剂的凝固点（比如Liquid helium液氦，Liquid hydrogen液氢）或者一些星球的表面温度（Night on the Moon月球阴面；Surface of the Pluto冥王星表面）。图片来源：wikipedia
什么是穆斯堡尔谱？？
研究超导材料，首先要确定超导态转变温度。对超导态和非超导态的同种材料，由于原子核外电子运动状态的改变，其原子核能级也会有所改变。原子核包括中子和质子，它们的不同作用和运动使得原子核也是有能级的。原子核的能级在超导态下有很大不同，因此，可以通过检测原子核能级变化来获知材料的转变温度。怎么检测呢？使用穆斯堡尔谱。
首先，对着材料发射一束与原子核能级跃迁相当的电磁波，当这个电磁波与原子核两个不同能级差一致时，一部分原子核就会吸收这个电磁波，激发到高能态。这叫共振吸收。这样，通过检测投射过的电磁波，看看少了哪个频率的电磁波，就知道原子核的能级分布了。
与原子核能级跃迁相应的电磁波称为伽马射线。在分子原子物理中，与原子振动能级相应的是红外光谱，与价层电子跃迁能级相应的是紫外光谱，与内层电子能级跃迁相应的是x光光谱，而与原子核能级跃迁相应的是伽马光光谱。
然而，如果原子核在较强的随机热运动状态下，原子核会吸收各种不同能量的伽马射线，导致不能清晰观测原子核跃迁能级对应的光频率。怎么办呢? 把材料冷却到极低的温度。这样原子核被束缚在晶格上，消除了绝大部分反冲效应，可以观测到清晰的原子核能级吸收光谱。这就是穆斯堡尔谱。穆斯堡尔因为发现了低温下无反冲的伽马共振吸收光谱，获得1961年诺贝尔物理学奖。
使用穆斯堡尔谱，可以观测原子核与原子核之间的电场和磁场的微弱作用，这种作用称为超精细作用。比如，如果用含3价Fe原子的材料做发射源，用含2价Fe原子的材料做吸收源，因为吸收源Fe原子核外电场的不同，所以它吸收的伽马光的频率要比发射源的频率有所不同，这种偏移称为同质异能位移，意思是同种物质因能级分布不同造成的化学位移。此外，原子核外的磁场，和原子核本身是不是很圆，会使穆斯堡尔谱产生分裂，分别称为四极距分裂，和磁超精细分裂。这些信息都能帮助我们分析材料的性质和变化。
你可能会问，你吸收源吸收的频率和发射源发射的频率不一致，怎么能形成共振吸收？换句话说，被检测材料可能吸收的伽马射线能量在检测前是未知的，你发射源的能量是一定的，是怎么回事呢？聪明的穆斯堡尔设计的方法是，向着或者背着吸收材料匀速移动发射源。这样就会由于发射源的动能，会稍稍改变发射出的光子的能量。这叫多普勒效应。好比一辆啸叫的救护车，当向着你开时，你听到的声音大，远离你时，听到的声音减弱。穆斯堡尔谱中，利用这个原理产生一系列比发射源能量高或者低的伽马射线。因此，一般的穆斯堡尔谱的横坐标都是发射源的移动速度，纵坐标是透射率。一般发射源移动速度是几个毫米每秒。然后可以换算成能级的变化。
红酒煮出超导体？？
把原本不具有超导特性的铁，碲、硫化合物(FeTe1-xSx)放到红酒中煮24个小时，它就会转变成神奇的超导物质！这是2010年一个日本科研机构的一条轰动性的发现。尽管这样煮出来的超导材料的转变温度很低，只有大约8K，但是，其中可能隐藏着制造新的超导材料的秘密。
他们还尝试了不同的酒类，比如啤酒，日本清酒等等，只有红酒煮出来超导体效果最好，而且似乎与酒精之外的其它物质有关，不过他们并不确定是某种单一物质起的作用，还是多种物质的共同作用。
图中横坐标为酒精浓度，啤酒5%，红葡萄酒11%，白葡萄酒酒精浓度11%，日本清酒为15%，烧酒35%，威士忌是40%。纵坐标为超导体积分数，数值越高表明超导体的效果越好。图片来源：科学松鼠会
参考文献
1. Wikipedia：superconductivity (超导)
2. Wikipedia：Mossbauer Spectroscopy(穆斯堡尔谱)
3. 百度文库：穆斯堡尔谱
4. 科学网：红酒煮出超导体
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