復(fù)旦團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)新型高溫超導(dǎo)體
來(lái)源：中國(guó)青年報(bào) 發(fā)布時(shí)間：2024-07-24 15:25:20
7月17日晚間，《自然》發(fā)布復(fù)旦大學(xué)最新成果：一種新型高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)。
據(jù)介紹，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系趙俊教授團(tuán)隊(duì)利用高壓光學(xué)浮區(qū)技術(shù)成功生長(zhǎng)了三層鎳氧化物L(fēng)a4Ni3O10高質(zhì)量單晶樣品，證實(shí)了鎳氧化物中具有壓力誘導(dǎo)的體超導(dǎo)電性，其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到86%。研究還發(fā)現(xiàn)該類(lèi)材料呈現(xiàn)出奇異金屬和獨(dú)特的層間耦合行為，為人們理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的視角和平臺(tái)。
該研究成果以“加壓三層La4Ni3O10-δ單晶的超導(dǎo)性”為題發(fā)表于最新一期的《自然》。《自然》同期在“新聞和觀點(diǎn)”專(zhuān)欄對(duì)該文進(jìn)行亮點(diǎn)推薦和介紹。
超導(dǎo)體指的是在特定轉(zhuǎn)變溫度之下電阻為零且呈現(xiàn)完全抗磁性的材料，能廣泛應(yīng)用于電力傳輸和儲(chǔ)能、醫(yī)學(xué)成像、磁懸浮列車(chē)、量子計(jì)算等領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。迄今為止，已有10位科學(xué)家因超導(dǎo)研究獲諾貝爾獎(jiǎng)。超導(dǎo)體因巨大應(yīng)用潛力備受關(guān)注，尋找新型高溫超導(dǎo)體是科學(xué)界孜孜以求的目標(biāo)。
1911年，荷蘭物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯在汞（Hg）中首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象——當(dāng)他把汞冷卻到約4K（“K”為熱力學(xué)溫度單位“開(kāi)爾文”，4K=-269.15℃）時(shí)，汞的電阻突然消失，變?yōu)榱?。此后很長(zhǎng)時(shí)間，科學(xué)家們都認(rèn)為只有汞、鉛、鋁等常規(guī)金屬和簡(jiǎn)單合金，在極低溫下才能展現(xiàn)出超導(dǎo)性。
直到1986年，約翰內(nèi)斯·貝德諾爾茨和卡爾·亞歷山大·米勒在鑭鋇銅氧化物（La-Ba-Cu-O）中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，臨界溫度可以高達(dá)30K。后來(lái)，包括我國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)家將其超導(dǎo)臨界溫度提升至液氮溫區(qū)（77K）直至超過(guò)130K。
高溫超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，打破了人們對(duì)超導(dǎo)只能存在于極低溫的認(rèn)知。多年來(lái)，世界各國(guó)科學(xué)家圍繞高溫超導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行了各種形式的深入研究，但經(jīng)過(guò)近40年努力，其形成機(jī)理仍是未解之謎。
研究高溫超導(dǎo)的一個(gè)重要課題，就是尋找新型高溫超導(dǎo)體。一方面，人們希望從新的角度尋找理解高溫超導(dǎo)機(jī)理的線(xiàn)索，另一方面，新的材料體系也可能提供新的應(yīng)用前景。
鎳元素在元素周期表中緊鄰銅元素，鎳氧化物被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)電性的重要候選材料之一。但經(jīng)過(guò)幾十年的研究，人們發(fā)現(xiàn)在鎳氧化物中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性的條件十分苛刻。
2019年，具有無(wú)限層NiO2面的Nd0.8Sr0.2NiO2體系被報(bào)道具有超導(dǎo)電性，其轉(zhuǎn)變溫度約為5-15K。但這類(lèi)體系超導(dǎo)電性?xún)H能存在于薄膜樣品之中，塊體材料卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。
2023年，中國(guó)科學(xué)家在具有雙層NiO2面結(jié)構(gòu)的鎳氧化物L(fēng)a3Ni2O7中發(fā)現(xiàn)了壓力誘導(dǎo)的高溫超導(dǎo)電性，超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到80K，進(jìn)一步將鎳氧化物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到了液氮溫區(qū)。但這種材料的超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)較低，容易表現(xiàn)出絲狀超導(dǎo)現(xiàn)象，很難形成體超導(dǎo)電性。因此，尋找新的超導(dǎo)體系，提高超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)體超導(dǎo)電性十分關(guān)鍵。
在《自然》此次發(fā)布的研究成果中，趙俊團(tuán)隊(duì)成功合成了高質(zhì)量的三層鎳氧化物L(fēng)a4Ni3O10單晶樣品，樣品在低于超導(dǎo)臨界溫度時(shí)表現(xiàn)出了零電阻和完全抗磁的邁斯納效應(yīng)，超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到86%。
“這個(gè)超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)與銅氧化物高溫超導(dǎo)體接近，毫無(wú)疑問(wèn)證實(shí)了鎳氧化物的體超導(dǎo)電性。”趙俊說(shuō)。
這項(xiàng)研究結(jié)果還精細(xì)刻畫(huà)了La4Ni3O10體系在壓力下的超導(dǎo)相圖，闡明了電荷密度波/自旋密度波、超導(dǎo)、奇異金屬行為和晶體結(jié)構(gòu)相變?cè)谙鄨D中的關(guān)系。
下一步，趙俊團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)聚焦高溫超導(dǎo)領(lǐng)域重大問(wèn)題，探究不同體系高溫超導(dǎo)體的內(nèi)在聯(lián)系和機(jī)理，理解和發(fā)現(xiàn)更高性能的高溫超導(dǎo)體。（殷夢(mèng)昊 丁超逸 中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 王燁捷 來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)）
責(zé)任編輯：陳曉芳
