界面新聞?dòng)浾?| 高菁

中國超導(dǎo)研究又有新突破。

7月18日，復(fù)旦大學(xué)宣布，該校物理學(xué)系趙俊教授團(tuán)隊(duì)利用高壓光學(xué)浮區(qū)技術(shù)，成功生長三層鎳氧化物L(fēng)a4Ni3O10高質(zhì)量單晶樣品，并證實(shí)了鎳氧化物中具有壓力誘導(dǎo)的體超導(dǎo)電性(bulk superconductivity)。

該研究成果在7月17日晚，以“Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals”為題發(fā)表于最新一期的《自然》雜志上。

超導(dǎo)體是指在特定轉(zhuǎn)變溫度之下電阻為零且呈現(xiàn)完全抗磁性(即邁斯納效應(yīng))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、量子計(jì)算等領(lǐng)域。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度不同，超導(dǎo)體可分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。

低溫超導(dǎo)材料通常需要借助4K(-269°C)的液氦來實(shí)現(xiàn)20K以下的環(huán)境，來實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性。由于氦氣是稀有氣體，液化技術(shù)也很難，極大地限制了低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用，科學(xué)家始終在探索更高溫度的超導(dǎo)體。

高溫超導(dǎo)材料所需的溫度相對(duì)來說要高得多，通?？梢赃_(dá)到40K(-233°C)以上，甚至可以高達(dá)-100°C以上。

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。但在鎳氧化物中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性需要十分苛刻的條件。

趙俊及團(tuán)隊(duì)此次成功合成了高質(zhì)量三層鎳氧化物L(fēng)a4Ni3O10單晶樣品，并通過利用金剛石對(duì)頂砧技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了La4Ni3O10壓力誘導(dǎo)的超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象，在69 GPa壓力下，超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到30K(-243.15°C)，且超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到86%，意味著大部分材料都表現(xiàn)出了超導(dǎo)特性。

此外， 研究結(jié)果還表明了鎳氧化物超導(dǎo)可能與銅氧化物超導(dǎo)有著不同的層間耦合機(jī)制，為鎳氧化物超導(dǎo)電性機(jī)理的研究提供了重要見解。

趙俊表示，此次通過實(shí)現(xiàn)最終得出的超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)與銅氧化物高溫超導(dǎo)體接近，證實(shí)了鎳氧化物的體超導(dǎo)電性。

一位業(yè)內(nèi)專家向界面新聞表示， 趙俊教授團(tuán)隊(duì)此次的研究成果在超導(dǎo)領(lǐng)域是一個(gè)重要的進(jìn)展 ，“他們發(fā)現(xiàn)的是一個(gè)全新的鎳基超導(dǎo)體，雖然仍需要高壓才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，但是證實(shí)超導(dǎo)組分很高，說明是體超導(dǎo)。”

去年7月，中山大學(xué)物理學(xué)院王猛教授團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志刊登了高溫超導(dǎo)材料的科學(xué)成果——首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體。液氮溫區(qū)指的是溫度在液氮沸點(diǎn)附近的范圍，即約-196°C左右。

王猛教授團(tuán)隊(duì)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(-193.15°C)。

這是繼中國科學(xué)家1980年代發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體之后，人類發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料，也是在全球范圍內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系。

但該材料的超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)較低，難以形成體超導(dǎo)電性，即在一定的壓力條件下，材料的電阻降為零，并且表現(xiàn)出完全抗磁性。

超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)是指在超導(dǎo)狀態(tài)下，材料中超導(dǎo)電流所占的體積比例，反映了材料中有多少部分能夠表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。積分?jǐn)?shù)越高，說明材料的超導(dǎo)性能越好。

“鎳氧化物單晶樣品的生長條件十分苛刻，需要在特定的高氧壓的環(huán)境中，保持高溫和尖銳的溫度梯度，才能實(shí)現(xiàn)單晶樣品的穩(wěn)定生長。由于成相的氧壓窗口很小，因此容易出現(xiàn)多種成分的鎳氧化物層狀共生的現(xiàn)象，且生長過程中極易出現(xiàn)大量頂點(diǎn)氧位置的缺陷，這可能是鎳氧化物超導(dǎo)含量低的原因?！壁w俊稱。

中國科學(xué)院物理研究所研究員羅會(huì)仟此前在接受界面新聞等媒體線上采訪時(shí)表示，全世界范圍內(nèi)，中國在超導(dǎo)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域位于前列。

從商業(yè)化的角度看，羅會(huì)仟指出，中國科學(xué)家已經(jīng)做出了全球第一根百米級(jí)鐵基超導(dǎo)的線材，走向了實(shí)用化道路。近幾年，民營資本也投向高溫超導(dǎo)帶材應(yīng)用領(lǐng)域，瞄準(zhǔn)強(qiáng)磁場(chǎng)、可控核聚變、磁懸浮列車等。

“但材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用，仍有很長的路要走。商業(yè)化路途中，還有很多根本問題需要克服，大規(guī)模應(yīng)用還存在一定瓶頸。”羅會(huì)仟說。