日前，《自然》在線(xiàn)刊登了中山大學(xué)物理學(xué)院教授王猛團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研究成果——發(fā)現(xiàn)首個(gè)液氮溫區(qū)鎳氧化物高溫超導(dǎo)體。據(jù)介紹，該材料成為繼1986年發(fā)現(xiàn)的銅氧化物高溫超導(dǎo)體之后第二個(gè)進(jìn)入液氮溫區(qū)的氧化物高溫超導(dǎo)體。
“在全新的體系中發(fā)現(xiàn)了液氮溫區(qū)的超導(dǎo)電性，超出了我們的預(yù)期?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、中山大學(xué)物理學(xué)院教授王猛對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，團(tuán)隊(duì)合成了一種鎳氧化物單晶并首次在14GPa壓力下出現(xiàn)了80K的高溫超導(dǎo)電性。
《自然》雜志審稿人認(rèn)為，該發(fā)現(xiàn)“具有突出重要性”“是開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)”“業(yè)內(nèi)將廣泛關(guān)注”。
發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)超導(dǎo)體
100多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了特定低溫下汞的電阻為零，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“超級(jí)導(dǎo)電”。因零電阻、抗磁性的顯著特點(diǎn)，超導(dǎo)體在信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)儀器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但現(xiàn)在超導(dǎo)體只有在低溫中才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象，其大規(guī)模應(yīng)用嚴(yán)重受限。
1986年，荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)體，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過(guò)液氮溫度77K。2008年，日本科學(xué)家在一種鐵砷基材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。很快，中國(guó)科學(xué)家合成多種鐵砷材料，將塊材超導(dǎo)溫度提高到最高55K，并推動(dòng)了其應(yīng)用，但未能進(jìn)入液氮溫區(qū)。
超導(dǎo)材料具有絕對(duì)零電阻、完全抗磁性和宏觀(guān)量子隧穿效應(yīng)的特殊性質(zhì)，因此具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)近40年的研究，銅氧化物仍然是唯一進(jìn)入液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)體，其超導(dǎo)機(jī)理仍未知，全球科學(xué)家一直致力于尋找非常規(guī)超導(dǎo)材料并揭示高溫超導(dǎo)機(jī)理。
“科學(xué)家在銅氧化物超導(dǎo)電性研究中發(fā)現(xiàn)了很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律，然而與高溫超導(dǎo)的因果關(guān)系無(wú)法確定?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⑶迦A大學(xué)教授張廣銘指出，高溫超導(dǎo)的機(jī)理至今未知，已成為近40年來(lái)物理學(xué)中最重要的科學(xué)問(wèn)題之一。
“沒(méi)有人知道終點(diǎn)在哪里，如果知道，我們就可以設(shè)計(jì)一條達(dá)到終點(diǎn)的路徑?；A(chǔ)研究可以解鎖未知，而未知充滿(mǎn)了不確定性。”王猛表示，沒(méi)有人能夠預(yù)言，新的材料一定能夠帶來(lái)新的突破。
幸運(yùn)的是，王猛團(tuán)隊(duì)這一次成功了。他們首次發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)超導(dǎo)的鎳氧化物，意味著將為世界超導(dǎo)研究開(kāi)辟新領(lǐng)域，引領(lǐng)超導(dǎo)研究的方向。
記者了解到，該研究發(fā)現(xiàn)有望破解高溫超導(dǎo)機(jī)理，使設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)高溫超導(dǎo)材料成為可能，并將實(shí)現(xiàn)更廣泛和更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
三年磨一劍
在中山大學(xué)廣州校區(qū)南校園哲生堂物理學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室，王猛團(tuán)隊(duì)向記者展示了一根幾厘米長(zhǎng)的黑色料棒。這正是本次發(fā)現(xiàn)的“新星”——高溫超導(dǎo)新材料La3Ni2O7單晶樣品。這根看似“樸實(shí)無(wú)華”的料棒，凝聚的是團(tuán)隊(duì)數(shù)年的心血。
3年多來(lái)，王猛團(tuán)隊(duì)通過(guò)不斷摸索，合成了高質(zhì)量的鎳氧化物體系單晶樣品，并在國(guó)際上率先進(jìn)行了系統(tǒng)研究?！昂铣涉囇趸飭尉悠泛螅覀冏C明它在超過(guò)14GPa的壓力下出現(xiàn)了80K的高溫超導(dǎo)電性?！蓖趺驼f(shuō)。
“La3Ni2O7生長(zhǎng)條件極為苛刻，平均價(jià)態(tài)為2.5價(jià)，偏離Ni的穩(wěn)定價(jià)態(tài)正2價(jià)，氧壓范圍窄。我們花了兩年多時(shí)間，才摸索出其生長(zhǎng)條件，長(zhǎng)出來(lái)高質(zhì)量單晶樣品。”王猛介紹說(shuō)。
論文共同第一作者、中山大學(xué)物理學(xué)院博士生霍夢(mèng)五表示，高壓研究技術(shù)復(fù)雜，研究周期長(zhǎng)。研究團(tuán)隊(duì)花費(fèi)一年多時(shí)間系統(tǒng)研究不同鎳氧化物材料體系。
據(jù)霍夢(mèng)五介紹，此次發(fā)現(xiàn)的鎳氧化物是人類(lèi)目前已知的第二個(gè)達(dá)到液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)體系，科學(xué)家可以在新的材料體系中進(jìn)行超導(dǎo)機(jī)理和應(yīng)用研究。
“液氮的制備成本比礦泉水還低，超過(guò)液氮溫度也意味著超導(dǎo)材料更容易獲得，因而也具有更大的應(yīng)用潛力?！蓖趺驼f(shuō)，接下來(lái)他們還將對(duì)銅氧化物和鎳氧化物高溫超導(dǎo)體的共性開(kāi)展研究，進(jìn)一步推動(dòng)高溫超導(dǎo)機(jī)理的破解。
有望破解高溫超導(dǎo)機(jī)理
王猛團(tuán)隊(duì)在中山大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)以及華南理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京同步輻射裝置對(duì)La3Ni2O7單晶材料開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，很快確定了其在壓力下轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到液氮溫區(qū)，高達(dá)80K。
“這次發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的鎳氧化物，鎳的價(jià)態(tài)為正2.5價(jià)，超出傳統(tǒng)預(yù)期，其電子結(jié)構(gòu)、磁性與銅氧化物完全不同。通過(guò)比較研究，將有可能確定高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵因素，推動(dòng)科學(xué)家破解高溫超導(dǎo)機(jī)理。”王猛介紹，“根據(jù)機(jī)理，有望與計(jì)算機(jī)、人工智能技術(shù)等學(xué)科交叉后，設(shè)計(jì)、合成新的更多、更容易應(yīng)用的高溫超導(dǎo)材料，實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用?！?/p>
“中山大學(xué)自2017年開(kāi)始建設(shè)物理學(xué)院公共科研平臺(tái)，為團(tuán)隊(duì)的材料生長(zhǎng)和表征實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了一流條件?！蓖趺驼f(shuō)，中山大學(xué)建設(shè)的中子譜儀也將助力團(tuán)隊(duì)對(duì)材料進(jìn)行進(jìn)一步研究。
“目前，我們的超導(dǎo)材料需要在14GPa壓力下才能實(shí)現(xiàn)，這會(huì)限制超導(dǎo)機(jī)理的研究及其廣泛應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)目前正在開(kāi)展攻關(guān)，希望生長(zhǎng)出常壓下達(dá)到液氮溫區(qū)的鎳氧化物超導(dǎo)體。”王猛說(shuō)。
張廣銘表示，鎳基氧化物超導(dǎo)體具有不同于銅氧高溫超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，新發(fā)現(xiàn)為了解高溫超導(dǎo)機(jī)理帶來(lái)很多重要啟示，有助于破解高溫超導(dǎo)的微觀(guān)機(jī)理，使設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)高溫超導(dǎo)材料成為可能，并在液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用。
目前，王猛團(tuán)隊(duì)已收到來(lái)自全世界的科學(xué)家對(duì)樣品合作研究的申請(qǐng)，可以預(yù)見(jiàn)，鎳氧化物高溫超導(dǎo)研究將迎來(lái)新一波熱潮。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06408-7
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