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從0到1的重大突破!中國科學家發現液氮溫區鎳氧化物超導體

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2023-07-13 10:05 | 稿件來源:香港新聞網

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香港新聞網7月13日電 據微信公眾號“中山大學”消息,北京時間7月12日晚上11點,《自然》雜誌(Nature)刊登中山大學王猛教授團隊主導的科學成果:首次發現液氮溫區鎳氧化物超導體。

這是中國科學家在全球率先發現的全新高溫超導體係,是人類目前發現的第二種液氮溫區非常規超導材料,是基礎研究領域“從0到1”的突破,將有望推動破解高溫超導機理,使設計和預測高溫超導材料成為可能,實現更廣泛更大規模的產業化應用。

1 三年磨一劍 中大發現鎳基高溫超導體

在中山大學廣州校區南校園哲生堂物理學院的實驗室,王猛教授團隊向我們展示了一根幾厘米的黑色料棒。這正是本次發現的“新星”——高溫超導新材料La₃Ni₂O₇單晶樣品。這根看似“樸實無華”的料棒,凝聚的是團隊數年的心血。

王猛教授展示鎳氧化物La3Ni2O7單晶

“La₃Ni₂O₇生長條件極為苛刻,平均價態為2.5價,偏離Ni的穩定價態正2價,氧壓範圍窄,研究團隊花了兩年多的時間,才摸索出生長條件,長出來高質量單晶樣品。”王猛教授介紹。

王猛教授團隊學生在操作光學浮區爐

更殘酷的是,沒有人能夠預言,新材料一定能夠帶來新的突破。高溫超導研究沒有成熟的理論指引,存在很大的不確定性。自1986年銅氧化物超導電性發現後,科學家就在鎳等過渡金屬化合物中探索超導電性。然而,近40年的研究,鎳基氧化物超導電性並未有突破性進展。

論文共同第一作者、中山大學物理學院博士生霍夢五在介紹團隊生長的各種材料

“沒有人知道終點在哪裏,如果知道,我們就可以設計一條達到終點的路徑,但基礎研究就是解鎖未知,而未知就是充滿了不確定性。”王猛說。

王猛教授指導學生

幸運的是,這一次,團隊成功了。團隊將La₃Ni₂O₇單晶材料在中山大學高壓實驗研究平台以及華南理工大學、中國科學院物理研究所、北京同步輻射裝置開展實驗研究,很快確定了其在壓力下轉變為超導體,超導轉變溫度達到液氮溫區,高達80K(開爾文)。

王猛教授對材料進行綜合物性測量

La3Ni2O7單晶樣品高壓下的電阻、抗磁性及超導上臨界磁場擬合

2 近40年來物理學中最重要的科學問題之一

超導材料具有絕對零電阻、完全抗磁性和宏觀量子隧穿效應的特殊性質,因此具有重要的科學和應用價值。自發現以來,已產生了5個相關的諾貝爾獎。

中國科學家也因超導領域的突破兩次獲得國家自然科學一等獎,以及一次國家最高科學技術獎。

1986年,科學家首次發現銅氧化物超導材料,隨後包括中國科學家在內的多國科學家將其超導溫度提升到了液氮溫區(77開爾文,即零下196攝氏度)。液氮的廉價和易得,推動了銅氧化物高溫超導材料在信息技術、生物醫學、科學儀器、電力、交通運輸等領域的應用。

2008年,日本科學家在一種鐵砷基材料中發現了超導現象。很快,中國科學家合成出多種鐵砷材料,將塊材超導溫度最高提高到55K,並推動了其應用,但未能進入液氮溫區。

銅氧化物至此仍是唯一液氮溫區的非常規超導材料。“科學家在銅氧化物超導電性研究中掌握了很多實驗現象和規律,然而與高溫超導的因果關係無法確定。”清華大學教授張廣銘說,高溫超導的機理至今未知,成為近40年來物理學中最重要的科學問題之一。

而這一次,中國科學家首次發現在液氮溫區超導的鎳氧化物,意味著為世界超導研究開辟了新領域,將引領超導研究的方向。

這個發現在審稿階段於科研論文預印平台公佈後,迅速受到全球超導領域研究人員廣泛關註和跟進研究,在一個月左右的時間裏已有十餘篇相關理論和實驗工作相繼公佈。論文也得到了《自然》雜誌審稿人的高度評價,認為它“具有突出重要性”“是開創性發現”“業內將廣泛關註”。

3 有望破解高溫超導機理

“這次發現高溫超導的鎳氧化物,鎳的價態為+2.5價,超出傳統預期,其電子結構、磁性與銅氧化物完全不同。通過比較研究,將有可能確定高溫超導的關鍵因素,推動科學家破解高溫超導機理。”王猛教授介紹,“根據機理,有望與計算機、AI技術等學科交叉後,設計、合成新的更多的更容易應用的高溫超導材料,實現更加廣泛的應用。”

王猛教授團隊開組會

本工作由中山大學物理學院教授王猛領導完成。中山大學物理學院副研究員孫華蕾、博士研究生霍夢五為論文的共同第一作者,王猛和清華大學教授張廣銘為論文共同通訊作者。實驗方面,王猛教授團隊得到華南理工大學唐玲雲、毛忠泉,中國科學院物理研究所程金光團隊,美國亞利桑那州立大學博士韓藝豐支持;理論方面中山大學教授姚道新和博士研究生胡訓武開展了基於密度泛函理論的材料結構和能帶計算,清華大學張廣銘教授提出了一個理解實驗和計算結果的物理圖像。

論文共同第一作者、中山大學物理學院特聘副研究員孫華蕾在進行實驗

“中山大學自2017年開始建設物理學院公共科研平台,為團隊的材料生長和表征實驗創造了一流的條件。”王猛說,中山大學建設的中子譜儀,也即將助力團隊對材料進行進一步研究,推動機理的解決。

霍夢五在操作光學浮區爐

團隊已經在進一步探索的路上。“目前,我們的超導材料,需要14GPa壓力下才能實現,這會限制對超導機理的研究以及廣泛應用。研究團隊目前正在攻關,希望生長出常壓下達到液氮溫區超導的鎳氧化物超導體。”王猛說。

【編輯:丘志彬】

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