作者:王猛等 来源:《自然》 发布时间:2023/7/17 10:58:31
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科学家发现首个液氮温区镍氧化物高温超导体

 

7月12日,《自然》杂志在线刊登了中山大学物理学院教授王猛团队与合作者最新研究成果:发现首个液氮温区镍氧化物高温超导体。据介绍,该材料成为继1986年发现的铜氧化物高温超导体之后第二类进入液氮温区的氧化物高温超导体。

“在全新的体系中发现了液氮温区的超导电性,这超出了我们的预期。”论文共同通讯作者、中山大学物理学院教授王猛对《中国科学报》表示,团队合成了一种镍氧化物单晶并首次在14GPa压力下发现80K零下193摄氏度)的超导电性。

中山大学物理学院教授王猛展示镍氧化物La3Ni2O7单晶。李建平 摄

《自然》杂志审稿人给予该项工作高度评价,认为它“具有突出重要性”“是开创性发现”“业内将广泛关注”。

从0到1重大突破

100多年前,科学家发现了特定低温下汞的电阻为零,这种现象被称为“超级导电”。因零电阻、抗磁性的显著特点,超导体在信息技术、生物医学、科学仪器等众多领域有广阔的应用前景,但现在超导体只有在低温中才能发生超导现象,其大规模应用严重受限。

1986年,荷兰科学家发现铜氧化物超导体,超导转变温度超过液氮温度77K(零下196摄氏度)。2008年,日本科学家在一种铁砷基材料中发现了超导现象。很快,中国科学家合成出多种铁砷材料,将块才超导温度最高提高到55K,并推动了其应用,但未能进入液氮温区。

超导材料具有绝对零电阻、完全抗磁性和宏观量子隧穿效应的特殊性质,因此具有重要的科学和应用价值。经过近40年的研究,铜氧化物仍然是唯一进入液氮温区的非常规超导体,其超导机理仍未知,全球科学家一直致力于寻找非常规超导材料并解决高温超导机理。

“科学家在铜氧化物超导电性研究中掌握了很多实验现象和规律,然而与高温超导的因果关系无法确定。”论文共同通讯作者、清华大学教授张广铭指出,高温超导的机理至今未知,成为近40年来物理学中最重要的科学问题之一。

“没有人知道终点在哪里,如果知道,我们就可以设计一条达到终点的路径,但基础研究就是解锁未知,而未知就是充满了不确定性。”王猛表示,没有人能够预言,新材料一定能够带来新的突破。

幸运的是,这一次,王猛团队成功了。他们首次发现在液氮温区超导的镍氧化物,意味着为世界超导研究开辟了新领域,将引领超导研究的方向。

记者了解到,该研究发现是基础研究领域“从0到1”的突破,将有望推动破解高温超导机理,使设计和预测高温超导材料成为可能,实现更广泛更大规模的产业化应用。

三年磨一剑

在中山大学广州校区南校园哲生堂物理学院的实验室,王猛团队向我们展示了一根几厘米的黑色料棒。这正是本次发现的“新星”——高温超导新材料La3Ni2O7单晶样品。这根看似“朴实无华”的料棒,凝聚的是团队数年的心血。

三年多来,王猛团队通过不断摸索条件合成了高质量的镍氧化物(La3Ni2O7)体系单晶样品,并在国际上率先进行了系统研究。“合成镍氧化物单晶样品后,我们证明它在超过14吉帕的压力下出现了80K的高温超导电性。”

“La3Ni2O7生长条件极为苛刻,平均价态为2.5价,偏离Ni的稳定价态正2价,氧压范围窄,研究团队花了两年多的时间,才摸索出生长条件,长出来高质量单晶样品。”王猛介绍。

中山大学物理学院博士生霍梦五在介绍团队开发情况。朱嘉豪 摄

论文共同第一作者、中山大学物理学院博士生霍梦五表示,高压研究技术复杂,研究周期长。研究团队花费一年多的时间通过系统研究不同镍氧化物材料体系,最终在La3Ni2O7单晶中发现压力下达到80K的高温超导电性。

据霍梦五介绍,此次发现的镍氧化物是人类目前已知的第二个达到液氮温区的非常规超导体系,科学家可以在新的材料体系中进行超导机理和应用研究。

“液氮的制备成本比矿泉水还低,超过液氮温度也意味着超导材料需要的低温环境更容易获得,因而也具有更大的应用潜力。”王猛说,接下来还将对铜氧化物和镍氧化物高温超导体的共性开展研究,进一步推动高温超导机理的解决。 

有望破解高温超导机理

王猛团队将La3Ni2O7单晶材料在中山大学高压实验研究平台以及华南理工大学、中国科学院物理研究所、北京同步辐射装置开展实验研究,很快确定了其在压力下转变为超导体,超导转变温度达到液氮温区,高达80K。

“这次发现高温超导的镍氧化物,镍的价态为+2.5价,超出传统预期,其电子结构、磁性与铜氧化物完全不同。通过比较研究,将有可能确定高温超导的关键因素,推动科学家破解高温超导机理。”王猛介绍,“根据机理,有望与计算机、AI技术等学科交叉后,设计、合成新的更多的更容易应用的高温超导材料,实现更加广泛的应用。

“中山大学自2017年开始建设物理学院公共科研平台,为团队的材料生长和表征实验创造了一流的条件。”王猛说,中山大学建设的中子谱仪,也即将助力团队对材料进行进一步研究,推动机理的解决。

中山大学物理学院教授王猛指导学生。伍钧浩 摄

“目前,我们的超导材料,需要14GPa压力下才能实现,这会限制对超导机理的研究以及广泛应用。研究团队目前正在攻关,希望生长出常压下达到液氮温区超导的镍氧化物超导体。”王猛说。

张广铭表示,镍基氧化物超导体具有不同于铜氧高温超导体的晶体结构和电子结构,新的发现为我们理解高温超导的机理带来了很多重要的启示,将有助于破解高温超导的微观机理,使设计和预测高温超导材料成为可能,并在液氮温区实现超导材料的广泛应用。

目前,王猛团队已接到来自全世界的科学家对样品合作研究的申请,可以预见,镍氧化物高温超导研究将迎来新一波热潮。(来源:中国科学报 朱汉斌 李建平)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06408-7

 
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