中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊(通訊員 李建平 張紫欣 記者 劉盾)近日,《自然》雜志(Nature)刊登中山大學王猛教授團隊主導的科學成果:首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導體。這是中國科學家在全球率先發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導體系,是人類目前發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導材料,是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的突破,將有望推動破解高溫超導機理,使設(shè)計和預測高溫超導材料成為可能,實現(xiàn)更廣泛更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應用。
在中山大學廣州校區(qū)南校園哲生堂物理學院的實驗室,王猛教授團隊展示了一根幾厘米的黑色料棒——高溫超導新材料La3Ni2O7單晶樣品。這根看似“樸實無華”的料棒,卻凝聚了團隊數(shù)年的心血。
“La3Ni2O7生長條件極為苛刻,平均價態(tài)為2.5價,偏離Ni的穩(wěn)定價態(tài)正2價,氧壓范圍窄,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(zhì)量單晶樣品。”王猛介紹說。
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(fā)現(xiàn)后,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并未有突破性進展。“沒有人知道終點在哪里,如果知道,我們就可以設(shè)計一條達到終點的路徑,但基礎(chǔ)研究就是解鎖未知,而未知就是充滿了不確定性?!蓖趺驼f。
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臺以及華南理工大學、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(zhuǎn)變?yōu)槌瑢w,超導轉(zhuǎn)變溫度達到液氮溫區(qū),高達80K(開爾文)。
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(zhì),因此具有重要的科學和應用價值。1986年,科學家首次發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導材料,隨后包括中國科學家在內(nèi)的多國科學家將其超導溫度提升到了液氮溫區(qū)(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(shù)、生物醫(yī)學、科學儀器、電力、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應用。
2008年,日本科學家在一種鐵砷基材料中發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)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,并推動了其應用,但未能進入液氮溫區(qū)。
銅氧化物至此仍是唯一液氮溫區(qū)的非常規(guī)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(xiàn)象和規(guī)律,然而與高溫超導的因果關(guān)系無法確定?!鼻迦A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。
這一次,中國科學家首次發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)超導的鎳氧化物,意味著為世界超導研究開辟了新領(lǐng)域,將引領(lǐng)超導研究的方向。這個發(fā)現(xiàn)在審稿階段于科研論文預印平臺公布后,迅速受到全球超導領(lǐng)域研究人員廣泛關(guān)注和跟進研究,在一個月左右的時間里,已有十余篇相關(guān)理論和實驗工作相繼公布。論文也得到了《自然》雜志審稿人的高度評價,認為它“具有突出重要性”“是開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)”“業(yè)內(nèi)將廣泛關(guān)注”。
“這次發(fā)現(xiàn)高溫超導的鎳氧化物,鎳的價態(tài)為+2.5價,超出傳統(tǒng)預期,其電子結(jié)構(gòu)、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(guān)鍵因素,推動科學家破解高溫超導機理?!蓖趺徒榻B,“根據(jù)機理,有望與計算機、AI技術(shù)等學科交叉后,設(shè)計、合成新的更多的更容易應用的高溫超導材料,實現(xiàn)更加廣泛的應用?!?/p>
“中山大學自2017年開始建設(shè)物理學院公共科研平臺,為團隊的材料生長和表征實驗創(chuàng)造了一流的條件。”王猛說,中山大學建設(shè)的中子譜儀,也將助力團隊對材料進行進一步研究,推動機理的解決。
團隊已經(jīng)在進一步探索的路上?!澳壳?,我們的超導材料,需要14GPa壓力下才能實現(xiàn),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(guān),希望生長出常壓下達到液氮溫區(qū)超導的鎳氧化物超導體。”王猛說。
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