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科学家发现研究纳米结构的新方法“约瑟夫森效应” |
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| http://cn.newmaker.com
7/27/2007 2:07:00 PM
中国科技信息网
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 图注：高频超导“约瑟夫森交流电”可以激活纳米线中的原子级机械运动。科学家已在实验中观察到铌二聚体纳米线的三种振荡模式并通过第一原理计算法对此进行了确认。图片的顶端是电导系数Vs应用电压的测量曲线图，它显示出了与左右两端电极之间的铌原子二聚体振荡模式相对应的峰序。图片中间部分显示的是两端电极的原子组态。
据站physorg网站7月24日报告，乔治亚理工学院科学家发现了一种现象，这一现象允许利用交流电“约瑟夫森效应”测量纳米结构的机械运动。这项发现将用于识别纳米粒子机械属性并使之特性化，其中包括具有生物学应用价值的纳米材料。该发现已刊登《自然纳米技术》杂志网络版上。
1962年，在布赖恩.约瑟夫森发表的研究文章中提到了与超导体之间的电流有关的交流电“约瑟夫森效应”。该研究成果使他获得了1973年的“诺贝尔奖”。约瑟夫森预言，把两块超导体通过一张绝缘薄层连接起来后（即所谓的“约瑟夫森连接”），当两端的超导体保持稳定的电压差时，交流电可以穿过绝缘薄层进入另一超导体中（这就好比打开水龙头并在水流出的瞬间让水开始上下流动）。电流振荡的频率与应用电压有直接关系。
大量的实验充分证明了这一预言的正确性。“约瑟夫森交流电”频率已被用来定义标准电压。“约瑟夫森效应”在物理、计算和传感技术领域得到了广泛的应用。它可以用于对极弱磁场中的电磁辐射进行超高灵敏度探测，还可以用于计算超导量子比特。
现在，乔治亚理工学院实验物理学家阿里克希.马尔琴科夫和理论家乌兹.兰德曼发现，交流电“约瑟夫森效应”可用于探测位于“约瑟夫森连接”中的原子或分子机械运动。
“我们的实验表明，除了能够探测‘约瑟夫森交流电’的电磁辐射效应之外，还可以用它来探测‘约瑟夫森连接’里的原子或分子机械运动，”兰德曼说：“利用这种效应，我们也许不仅能探测原子级的现象，甚至还可以运用这类现象，其前景是非常激动人心的。”
马尔琴科和兰德曼发现，超薄铌纳米线电导系数的波动是由来回穿梭于聚合电导线之间的一对原子（即二聚体）造成的。2007年1月，马尔琴科和兰德曼在《物理评论快报》上发表了一篇论文，文章详细阐述了他们的上述发现。
马尔琴科和兰德曼与他们的同事戴震霆、布兰顿.多内胡和罗伯特.巴内特在这项最新的研究中宣称，当一种微型“连接”结构的温度低于超导转变温度时，他们在跟踪电导系数的过程中发现了不同寻常的特性。电导系数是应用电压的一种测量函数。
乔治亚理工学院物理分校助理教授马尔琴科说：“在我们实验中，只有纳米线在电导系数Vs应用电压的曲线图中始终显示出一系列额外的峰值。在这些测量中，一个峰值代表一次共振，这表明我们已经创造出固有的高频‘约瑟夫森电流振荡’，因此，我们开始观察可能的物理机制。”
该小组假设新的测量峰值来自于二聚体的机械运动，这种机械运动使电流在特定的应用电压条件下得到加强。每次当电压达到最大时，“约瑟夫森交流电”的频率将与“连接”外的纳米结构的振荡频率产生共振。
接下来，兰德曼的研究小组根据第一原理计算法做出以下预言：这些峰值将在三种不同的频率或电压条件下以整倍数的形式出现，第一个峰值相应于二聚体在铌电极两端的来回振荡；第二个峰值相应于连接两个端点的铀向正交运动；最后一个峰值相应于二聚体在两个端点之间的轴向摇摆或摇动振荡。紧接着的定点实验表明，当温度上升并接近超导转变温度时，共振峰值将逐渐消失，但它们的位置不会发生变化。这些观测数据在本质上和数量上与实验测量和理论预测完全相符，从而证明这种新观察到的电导系数峰值确实是纳米原子振荡运动造成的。
马尔琴科和兰德曼计划进一步探测“约瑟夫森连接”的振荡效应，同时把这些研究所获得的信息运用于测定振荡特性、原子排列以及金属、有机和生物分子纳米结构的转送机制。
兰德曼说：“我们的目标是利用我们的研究成果开发出相应的设备和传感技术。”
英文原文链接参见：http://www.physorg.com/news104497490.html
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