《Nature》:复旦发现新型高温超导体
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2024-08-07
超导体材料，在特定临界温度之下，电阻降为零且展现出完全抗磁性，从而能够无损耗地传导电流，这些特性使其在电力传输和储能、医学成像、磁悬浮列车、量子计算等领域具有广泛的应用前景。由于其潜在的广泛应用，超导体的研究一直是科学界的热点，至今已经有多位科学家因在超导领域的贡献而荣获诺贝尔奖。7月17日，Nature报道了复旦大学的一项突破性发现，该校物理学系赵俊教授团队利用高压光学浮区技术培育出了三层镍氧化物La4Ni3O10。通过高质量单晶样品，研究团队证实了镍氧化物中具有压力诱导的体超导电性(bulk superconductivity)，且其超导体积分数达到86%。此外，研究还发现该类材料呈现出奇异金属和独特的层间耦合行为，为深入理解高温超导机理提供了新的视角和平台。
1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次在在汞（Hg）中观察到了超导现象，这一发现发生在他将汞冷却到约4 K（“K”为热力学温度单位“开尔文”，4 K=-269.15℃）时，此时汞的电阻突然消失变为0。此后很长一段时间内，科学界普遍认为，只有汞、铝等金属及其简单合金，在极低的温度条件下，才能展现出超导性。
直到1986年，约翰内斯·贝德诺尔茨（Johannes Georg Bednorz）和卡尔·亚历山大·米勒（Karl Alexander Müller）在镧钡铜氧化物（La-Ba-Cu-O）中发现了高温超导现象，且临界温度可以高达30 K（-243.15°C）。此后，包括中国科学家在内的多国科学家将其超导临界温度提升至液氮温区（77 K，-196.15°C），甚至超过了130 K（-143.15°C）。
高温超导现象的发现，颠覆了人们对于超导现象仅存于极低温的传统观念。全球的科学家们对这一现象进行了广泛而深入的探索，但经过近四十年努力，其形成机理仍是未解之谜。
镍在元素周期表中紧邻铜，镍氧化物被视作高温超导电性实现的关键候选材料之一。然而，历经数十年的探索，科学家们发现在镍氧化物中实现超导电性的条件十分苛刻。
2019年，具有无限层NiO2面的Nd0.8Sr0.2NiO2体系被发现具有超导电性，其转变温度介于5 K（-268.15°C ）至15 K（-258.15°C ）之间。然而，这种超导性仅在薄膜样品中被观察到，而块状材料则未能发现。
2023年，中国科学家在具有双层NiO2面结构的镍氧化物La3Ni2O7中，发现了压力诱导的高温超导电性，其临界温度高达80 K（-193.15°C ），将镍氧化物的超导转变温度提高到了液氮温区。然而，这种材料的超导体积分数较低，容易表现出丝状超导现象（filamentary superconductivity），难以形成体超导电性。因此，寻找新的超导体系，提高超导体积分数，实现体超导电性显得尤为关键。
在Nature此次发布的研究成果中，赵俊教授的团队通过高压光学浮区法成功合成了高质量的三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品。这些样品在超导临界温度下表现出了零电阻和完全抗磁性，即迈斯纳效应，其超导体积分数高达86%，这有力证实了镍氧化物的体超导特性。赵俊教授指出，“这个超导体积分数与铜氧化物高温超导体接近，毫无疑问证实了镍氧化物的体超导电性。”在69 GPa的压力下，这种三层镍氧化物La4Ni3O10单晶的超导临界温度达到了30 K（-243.15°C ）。
未来，赵俊教授的团队计划继续深入高温超导领域的重大问题，研究不同体系高温超导体之间的内在联系和作用机制，以期理解和发现性能更优的高温超导材料。
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7439-97-6 汞 |
7440-02-0 镍 |
7440-50-8 铜 |
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7727-37-9 液氮 |
12031-75-3 锂锰镍氧化物 |
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