Nachricht

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Supraleiter haben aufgrund ihres enormen Anwendungspotenzials große Aufmerksamkeit erregt

Auf der Suche nach neuen Hochtemperatur-Supraleitern

Es ist das Ziel, das die wissenschaftliche Gemeinschaft anstrebt

Nature hat gerade die neuesten Ergebnisse der Fudan-Universität veröffentlicht

Ein weiterer neuer Hochtemperatur-Supraleiter entdeckt!

Fachbereich Physik, Fudan-Universität

Das Team von Professor Zhao Jun

Erfolgreich gewachsen mit optischer Hochdruck-Floating-Zone-Technologie

Drei Schichten Nickeloxid La4Ni3O10

Hochwertige Einkristallproben

bewiesenNickeloxide wirken druckinduziert

Massensupraleitung

(Massensupraleitung)

Sein supraleitender Volumenanteil erreicht 86 %

Die Studie ergab auch, dass diese Art von Material Probleme aufweist

Exotische Metalle und einzigartiges Kopplungsverhalten zwischen den Schichten

Um den Menschen zu helfen, den Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung zu verstehen

Bietet neue Perspektiven und Plattformen

Am Abend des 17. Juli, Pekinger Zeit, wurden die Forschungsergebnisse in der neuesten Ausgabe von Nature unter dem Titel „Supraconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals“ veröffentlicht. Gleichzeitig hat Nature die Highlights dieses Artikels in der Rubrik „News&Views“ unter dem Titel „The search for supraconductivity widens“ empfohlen und vorgestellt.

Gruppenfoto der Mitglieder des Forschungsteams von Zhao Jun (Dritter von links in der ersten Reihe).

Kann Nickeloxid ein Massensupraleiter sein?

Physikrätsel haben Antworten

Supraleiter beziehen sich auf Materialien, die keinen Widerstand haben und bei einer bestimmten Übergangstemperatur vollständig diamagnetisch sind. Sie können in großem Umfang in Bereichen wie Energieübertragung und Energiespeicherung, medizinischer Bildgebung, Magnetschwebebahnen und Quantencomputern eingesetzt werden Anwendungen. Wert. Bisher haben 10 Wissenschaftler den Nobelpreis für ihre Forschung zur Supraleitung gewonnen.

Im Jahr 1911 entdeckte der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes erstmals die Supraleitung in Quecksilber (Hg), als er das Quecksilber auf etwa 4 K abkühlte („K“ steht für Thermodynamik). Die Temperatureinheit ist „Kelvin“ (4 K=-269,15℃). Der Widerstand von Quecksilber verschwindet plötzlich und wird Null. Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass nur herkömmliche Metalle und einfache Legierungen wie Quecksilber, Blei und Aluminium bei extrem niedrigen Temperaturen supraleitend sein könnten.

Erst 1986 entdeckten Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller die Hochtemperatursupraleitung im Lanthan-Barium-Kupfer-Oxid (La-Ba-Cu-O). Phänomen, dessen kritische Temperatur bis zu 30 K betragen kann. Später erhöhten Wissenschaftler aus vielen Ländern, darunter auch chinesische Wissenschaftler, die kritische Temperatur der Supraleitung auf den Temperaturbereich von flüssigem Stickstoff (77 K), bis sie 130 K überschritt.

Die Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung erschütterte das Verständnis der Menschen, dass Supraleitung nur bei extrem niedrigen Temperaturen existieren kann.Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt verschiedene Formen eingehender Forschung zum Phänomen der Hochtemperatursupraleitung durchgeführt. Doch nach fast vier Jahrzehnten der Bemühungen ist ihr Entstehungsmechanismus immer noch ein ungelöstes Rätsel.

Ein wichtiges Thema bei der Erforschung der Hochtemperatursupraleitung ist die Suche nach neuen Hochtemperatursupraleitern. Einerseits hofft man, Hinweise zu finden, um den Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung aus einer neuen Perspektive zu verstehen. Andererseits könnten neue Materialsysteme auch neue Anwendungsperspektiven bieten.

Nickel steht im Periodensystem neben Kupfer und Nickeloxid gilt als eines der wichtigsten Kandidatenmaterialien für die Erzielung von Hochtemperatursupraleitung.Nach jahrzehntelanger Forschung wurde jedoch festgestellt, dass die Bedingungen zur Erzielung der Supraleitung in Nickeloxid sehr anspruchsvoll sind.

Im Jahr 2019 wurde berichtet, dass das Nd0,8Sr0,2NiO2-System mit unendlichen Schichten von NiO2-Flächen supraleitend ist und eine Übergangstemperatur von etwa 5–15 K aufweist. Allerdings kann die Supraleitung dieses Systemtyps nur in Dünnfilmproben vorhanden sein, und Massenmaterialien können keine Supraleitung erreichen.

Im Jahr 2023 entdeckten chinesische Wissenschaftler die druckinduzierte Hochtemperatursupraleitung in Nickeloxid La3Ni2O7 mit einer doppelschichtigen NiO2-Oberflächenstruktur. Die supraleitende kritische Temperatur erreichte 80 K und erhöhte die supraleitende Übergangstemperatur von Nickeloxid weiter in die Temperaturzone von flüssigem Stickstoff . Dieses Material weist jedoch einen geringen supraleitenden Volumenanteil auf, weist leicht fadenförmige Supraleitung auf und lässt sich nur schwer in Massensupraleitung ausbilden. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, neue supraleitende Systeme zu finden, den supraleitenden Volumenanteil zu erhöhen und eine Massensupraleitung zu erreichen.

In den von Nature veröffentlichten Forschungsergebnissen gelang es dem Team von Zhao Jun, eine hochwertige dreischichtige Nickeloxid-La4Ni3O10-Einkristallprobe zu synthetisieren. Die Probe zeigte unterhalb der supraleitenden kritischen Temperatur, dem supraleitenden Volumen, einen völlig diamagnetischen Meiss Der Anteil erreicht 86 %, was die supraleitenden Eigenschaften von Nickeloxid in großen Mengen deutlich beweist.

„Dieser supraleitende Volumenanteil kommt dem von Cuprat-Hochtemperatursupraleitern nahe, was zweifellos die Massensupraleitung von Nickeloxid bestätigt.“

Bieten Sie eine neue Perspektive und Plattform für die supraleitende Forschung

Engagiert für die Entdeckung leistungsstärkerer Hochtemperatur-Supraleiter

Zhao Jun kam 2012 nach Abschluss seiner Postdoktorandentätigkeit an der University of California, Berkeley. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Erforschung der Neutronenstreuung an verwandten elektronischen Systemen wie Hochtemperatur-Supraleitern und quantenmagnetischen Materialien beschäftigt sich auch mit der Züchtung von Proben in großem Maßstab und der Messung ihrer thermodynamischen und Transporteigenschaften.

„Durchbrüche in der Hochtemperatur-Supraleitungsforschung werden hauptsächlich durch Experimente vorangetrieben, insbesondere durch die Entdeckung neuer Supraleiter. Bisher gibt es viele Phänomene, die durch bestehende Theorien nicht vollständig erklärt werden können.“ Kristallproben sind sehr rau, es ist notwendig, eine hohe Temperatur und einen scharfen Temperaturgradienten in einer bestimmten Umgebung mit hohem Sauerstoffdruck aufrechtzuerhalten, um ein stabiles Wachstum von Einkristallproben zu erreichen, da das Sauerstoffdruckfenster für die Phasenbildung klein ist Es ist anfällig für das Auftreten von Komponenten. Es handelt sich um ein symbiotisches Phänomen, und während des Wachstumsprozesses kann es leicht zu einer großen Anzahl von Defekten an den Spitzensauerstoffpositionen kommen, was der Grund für den geringen supraleitenden Gehalt von Nickeloxid sein könnte.“

TeamVerwendung der optischen Hochdruck-Floating-Zone-Technologie Es wurde eine große Anzahl von Proben gezüchtet und die Regeln wurden ständig gesucht und zusammengefasst. Nach vielen Fehlschlägen wurde schließlich erfolgreich eine dreischichtige La4Ni3O10-Nickeloxid-Einkristallprobe in reiner Phase synthetisiert. Darüber hinaus führte das Team eine Reihe von Neutronenbeugungs- und Röntgenbeugungsmessungen durch,Die Gitterstruktur, die Sauerstoffatomkoordinaten und der Gehalt des Materials wurden genau gemessen und es wurde festgestellt, dass es fast keine Scheitelpunktsauerstoffdefekte gab.。

(a) Foto einer La4Ni3O10-δ-Einkristallprobe; (b) Neutronen- und Röntgeneinkristall-Beugungsdaten; (c) Entwicklung der Gitterstruktur unter Druck

Basierend auf hochwertigen Einkristallproben entdeckten das Team und seine Mitarbeiter mithilfe der Diamantamboss-Technologie das Phänomen des supraleitenden Nullwiderstands, das durch den Druck von La4Ni3O10 hervorgerufen wird. Unter einem Druck von 69 GPa erreicht die supraleitende kritische Temperatur 30 K. Basierend auf diamagnetischen Daten wird geschätzt, dass der supraleitende Volumenanteil dieser Einkristallprobe bis zu 86 % beträgt, was die supraleitenden Eigenschaften von Nickeloxid im Volumen bestätigt.

Ergebnisse der Widerstands- und magnetischen Suszeptibilitätsmessung einer La4Ni3O10-δ-Einkristallprobe

Im Gegensatz zum unendlichen Schicht- und Doppelschicht-Nickeloxid, bei dem die NiO2-Oberflächen die gleiche chemische Umgebung aufweisen, ermöglicht die einzigartige Sandwichstruktur, die durch die dreischichtige Struktur gebildet wird, dass die äußeren und mittleren Schichten der NiO2-Oberflächen unterschiedliche chemische Umgebungen aufweisen, wodurch die In der NiO2-Oberfläche entstehen unterschiedliche magnetische Strukturen, Elektronenkorrelationsstärken, Ladungskonzentrationen und sogar die Stärke der supraleitenden Paarung, was auch für diese Struktur mehr Möglichkeiten zur Regulierung bietetBietet eine einzigartige Plattform zum Verständnis der Rolle der Zwischenschichtkopplung und des Ladungstransfers bei der Bildung von Hochtemperatursupraleitung。

Darüber hinaus weist das dreischichtige Nickeloxid eine stärkere antiferromagnetische Ordnung auf als die Systeme mit unendlichen Schichten und Doppelschichten, was eine gute Grundlage für das Verständnis der Beziehung zwischen Spinkorrelation und Spinfluktuationen sowie des Hochtemperatur-Supraleitungsmechanismus von Nickeloxid bietet Es wird allgemein angenommen, dass Opportunitäten und Spinfluktuationen eine Schlüsselrolle bei der supraleitenden Kupratpaarung spielen.

Die Ergebnisse dieser Forschung stellen auch das supraleitende Phasendiagramm des La4Ni3O10-Systems unter Druck detailliert dar und verdeutlichen den Zusammenhang zwischen Ladungsdichtewellen/Spindichtewellen, Supraleitung, Verhalten exotischer Metalle und Phasenübergängen der Kristallstruktur im Phasendiagramm. Die Ergebnisse zeigen, dass die Nickeloxid-Supraleitung möglicherweise einen anderen Zwischenschicht-Kopplungsmechanismus aufweist als die Kuprat-Supraleitung, was wichtige Einblicke in die Forschung zum elektrischen Mechanismus der Nickeloxid-Supraleitung liefert und eine Grundlage für die Erforschung der Spin-Ladungs-Ordnung und der Flachbandstruktur bietet. Zwischenschichtkorrelationen, komplexe Wechselwirkungen zwischen exotischen metallischen Verhaltensweisen und Hochtemperatursupraleitung stellen eine wichtige Materialplattform dar.

Phasendiagramm von La4Ni3O10-δ unter Druck

Im nächsten Schritt wird sich das Team von Zhao Jun weiterhin auf wichtige Fragen im Bereich der Hochtemperatursupraleitung konzentrieren, die intrinsischen Zusammenhänge und Mechanismen von Hochtemperatursupraleitern in verschiedenen Systemen erforschen und leistungsstärkere Hochtemperatursupraleiter verstehen und entdecken .

Zhao Jun, Professor an der Fudan-Universität, Guo Jiangang, Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und Zeng Qiaoshi, Forscher am Beijing High Voltage Science Research Center, sind die Mitautoren des Papiers. Zhu Yinghao, Postdoktorand am Fachbereich Physik der Fudan-Universität, Peng Di, Doktorand am Beijing High Voltage Science Research Center, Zhang Enkang vom Fachbereich Physik der Fudan-Universität, außerordentlicher Professor Pan Bingying von der Ocean University of China und der Ingenieur Chen Xu vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sind die Co-Erstautoren. Die Forschung wurde von der National Foundation for Science and Technology, dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie, der Shanghai Science and Technology Commission, der Beijing Natural Science Foundation und der Shandong Natural Science Foundation unterstützt. Ein Teil der Daten für diese Studie wurde an großen wissenschaftlichen Plattformen wie der Comprehensive Extreme Conditions Experimental Facility der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem Oak Ridge National Laboratory in den Vereinigten Staaten und der Shanghai Synchrotron Radiation Source gesammelt.

Artikellink

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07553-3

Zusammenstellung

Schulmedienzentrum

Wort

Yin Menghao Ding Chaoyi

Bild

Foto vom Interviewpartner zur Verfügung gestellt

Verantwortlicher Redakteur

Yin Menghao

Qiu Jiexin

▼Weitere Fudan-Neuigkeiten finden Sie auf der offiziellen Website der Fudan-Universität.