具有准晶体结构的合金的超导性

在低温下会发生非同寻常的事情。最好的例子之一肯定是超导性。这种现象，其中固体的电阻在临界温度以下降至零，已知一个世纪，现在在科学和工业中具有应用。物理和化学专业的学生甚至可以用超导合金制造自己的悬浮磁铁。

与大多数固体一样，大多数超导体都是结晶的：它们的原子结构是由周期性重复的细胞构成的。自20世纪80年代以来，替代形式的固体，准晶体(QC)已经变得突出。尽管QC具有对称性，如晶体，但它们没有重复单元。这种周期性的缺乏导致不寻常的电子结构。现在，在Nature Communications的一项研究中，由名古屋大学领导的研究小组首次在质量控制中发现了超导性。

该团队研究了铝，锌和镁的合金。已知结晶形式是超导的。但是，Al-Zn-Mg的结构取决于三种元素的比例。该团队发现Al对合金的性能有着至关重要的影响。正如研究第一作者Keisuke Kamiya指出的那样，“当我们在保持Mg含量几乎恒定的同时降低Al含量时，超导性的临界温度首先从~0.8降低到~0.2 K.然而，在15%Al时，发生了两件事：合金转变为准晶体，临界温度骤降至~0.05 K.“

这个极低的临界温度，仅高于绝对零度的1/20，解释了为什么证明QC中的超导性很难实现。尽管如此，QC合金显示出超导体的两个原型特征：在临界温度下的比热跃升，以及几乎完全排除来自内部的磁通量，称为迈斯纳效应。

传统晶体中的超导现在已被充分了解。在足够低的温度下，带负电的电子克服它们的相互排斥并相互吸引，成对成对。这些“库珀对”合并为玻色 - 爱因斯坦凝聚物，这是一种零电阻的物质量子态。然而，电子之间的吸引力依赖于它们与固体晶格的相互作用，而传统理论认为这是一个周期晶体，而不是QC。

对于QC合金中超导的起源，该团队考虑了三种可能性。最奇特的是“关键的本征态”：仅在绝对零度附近发现的特殊电子态。电子本征态在晶体中延伸，并且定位在随机实体中，但QC中关键本征态的空间范围 - 既不是周期性的也不是随机的 - 尚不清楚。但是，该团队根据他们的测量结果对其进行了排除。这导致了Cooper对，无论是扩展的还是不太常见的“弱耦合”变种。事实上，该合金非常类似于典型的弱耦合超导体。

“有趣的是，这种合金的超导性与其准晶性无关，但与所谓的脏晶体相似，”相应的作者Noriaki K. Sato说。“然而，准晶体理论也预测了基于QC中分形几何的另一种超导形式。我们认为分形超导性很可能至少会产生一些贡献，我们很乐意最终对其进行测量。”