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Les supraconducteurs ont attiré beaucoup d’attention en raison de leur énorme potentiel d’application

À la recherche de nouveaux supraconducteurs à haute température

C'est l'objectif que s'efforce d'atteindre la communauté scientifique

Nature vient de publier les derniers résultats de l'Université de Fudan

Un autre nouveau supraconducteur à haute température découvert !

Département de physique, Université de Fudan

L’équipe du Professeur Zhao Jun

Cultivé avec succès grâce à la technologie de zone flottante optique à haute pression

Trois couches d'oxyde de nickel La4Ni3O10

Échantillons monocristaux de haute qualité

prouvéLes oxydes de nickel ont des effets induits par la pression

supraconductivité globale

(supraconductivité volumique)

Sa fraction volumique supraconductrice atteint 86%

L'étude a également révélé que ce type de matériau présente

Métaux exotiques et comportement de couplage intercouche unique

Aider les gens à comprendre le mécanisme de la supraconductivité à haute température

Fournit de nouvelles perspectives et plateformes

Dans la soirée du 17 juillet, heure de Pékin, les résultats de la recherche ont été publiés dans le dernier numéro de Nature sous le titre « Supraconductivité dans les monocristaux tricouches pressurisés La4Ni3O10-δ ». Dans le même temps, Nature a recommandé et présenté les points forts de cet article dans la rubrique "News&Views" sous le titre "La recherche de la supraconductivité s'élargit".

Photo de groupe des membres de l'équipe de recherche de Zhao Jun (troisième en partant de la gauche, au premier rang)

L'oxyde de nickel peut-il être un supraconducteur massif ?

Les énigmes de physique ont des réponses

Les supraconducteurs font référence à des matériaux qui ont une résistance nulle et sont complètement diamagnétiques sous une température de transition spécifique. Ils peuvent être largement utilisés dans des domaines tels que la transmission de puissance et le stockage d'énergie, l'imagerie médicale, les trains maglev et l'informatique quantique. valeur. Jusqu'à présent, 10 scientifiques ont remporté le prix Nobel pour leurs recherches sur la supraconductivité.

En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a découvert pour la première fois la supraconductivité dans le mercure (Hg) lorsqu'il a refroidi le mercure à environ 4 K (« K » signifie thermodynamique). Lorsque l'unité de température est « Kelvin » (4 K = -269,15 ℃), la résistance du mercure disparaît subitement et devient nulle. Pendant longtemps, les scientifiques ont cru que seuls les métaux conventionnels et les alliages simples tels que le mercure, le plomb et l’aluminium pouvaient présenter une supraconductivité à des températures extrêmement basses.

Ce n'est qu'en 1986 que Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller ont découvert la supraconductivité à haute température dans l'oxyde de cuivre et de baryum de lanthane (La-Ba-Cu-O). Phénomène, la température critique peut atteindre 30 K. Plus tard, des scientifiques de nombreux pays, y compris des scientifiques chinois, ont augmenté la température critique du supraconducteur jusqu'à la plage de température de l'azote liquide (77 K) jusqu'à dépasser 130 K.

La découverte de la supraconductivité à haute température a brisé l’idée selon laquelle la supraconductivité ne peut exister qu’à des températures extrêmement basses.Au fil des années, des scientifiques du monde entier ont mené diverses recherches approfondies sur le phénomène de supraconductivité à haute température. Cependant, après près de quatre décennies d’efforts, son mécanisme de formation reste un mystère non résolu.

Un sujet important dans l’étude de la supraconductivité à haute température est la recherche de nouveaux supraconducteurs à haute température. D’une part, on espère trouver des indices permettant de comprendre le mécanisme de la supraconductivité à haute température sous un nouvel angle. D’autre part, de nouveaux systèmes de matériaux pourraient également offrir de nouvelles perspectives d’application.

Le nickel vient après le cuivre dans le tableau périodique, et l'oxyde de nickel est considéré comme l'un des matériaux candidats importants pour atteindre la supraconductivité à haute température.Mais après des décennies de recherche, il a été découvert que les conditions nécessaires pour atteindre la supraconductivité dans l'oxyde de nickel sont très exigeantes.

En 2019, le système Nd0.8Sr0.2NiO2 avec des couches infinies de faces NiO2 aurait une supraconductivité, avec une température de transition d'environ 5 à 15 K. Cependant, la supraconductivité de ce type de système ne peut exister que dans des échantillons de couches minces, et les matériaux massifs ne peuvent pas atteindre la supraconductivité.

En 2023, des scientifiques chinois ont découvert une supraconductivité à haute température induite par la pression dans l'oxyde de nickel La3Ni2O7 avec une structure de surface à double couche de NiO2. La température critique supraconductrice a atteint 80 K, augmentant encore la température de transition supraconductrice de l'oxyde de nickel jusqu'à celle de l'azote liquide. . Cependant, ce matériau a une faible fraction volumique supraconductrice, présente facilement une supraconductivité filamentaire et est difficile à former une supraconductivité globale. Il est donc crucial de trouver de nouveaux systèmes supraconducteurs, d’augmenter la fraction volumique supraconductrice et d’atteindre une supraconductivité globale.

Dans les résultats de recherche publiés cette fois par Nature, l'équipe de Zhao Jun a synthétisé avec succès un échantillon monocristallin d'oxyde de nickel à trois couches de haute qualité La4Ni3O10. L'échantillon présentait une résistance nulle et un Meiss complètement diamagnétique en dessous de la température critique supraconductrice, le volume supraconducteur. La fraction atteint 86%, ce qui prouve fortement les propriétés supraconductrices globales de l'oxyde de nickel.

"Cette fraction volumique supraconductrice est proche de celle des supraconducteurs cuprates à haute température, ce qui confirme sans aucun doute la supraconductivité globale de l'oxyde de nickel", a déclaré Zhao Jun.

Fournir une nouvelle perspective et une nouvelle plateforme pour la recherche sur la supraconductivité

Engagé dans la découverte de supraconducteurs haute température plus performants

Zhao Jun est arrivé au département de physique de l'Université de Fudan en 2012 après avoir terminé ses travaux postdoctoraux à l'Université de Californie à Berkeley. Ses recherches portent sur la diffusion des neutrons sur les systèmes électroniques connexes tels que les supraconducteurs à haute température et les matériaux magnétiques quantiques. également engagé dans la croissance de monocristaux à grande échelle et de haute qualité et la mesure de leurs propriétés thermodynamiques et de transport.

"Les avancées dans la recherche sur la supraconductivité à haute température sont principalement motivées par des expériences, en particulier la découverte de nouveaux supraconducteurs. Jusqu'à présent, de nombreux phénomènes ne peuvent pas être entièrement expliqués par les théories existantes. Zhao Jun a déclaré: "Les conditions de croissance de l'oxyde de nickel unique." les échantillons de cristaux sont très durs, il est nécessaire de maintenir une température élevée et un gradient de température élevé dans un environnement spécifique à haute pression d'oxygène pour obtenir une croissance stable des échantillons monocristallins. Étant donné que la fenêtre de pression d'oxygène pour la formation de phases est petite, les couches d'oxyde de nickel sont multiples. Les composants sont susceptibles d'apparaître. Il s'agit d'un phénomène symbiotique et il est facile d'avoir un grand nombre de défauts aux positions du sommet de l'oxygène pendant le processus de croissance, ce qui peut être la raison de la faible teneur supraconductrice en oxyde de nickel.

équipeUtilisant la technologie de zone flottante optique à haute pression Un grand nombre d'échantillons ont été cultivés et les règles ont été constamment recherchées et résumées. Après de nombreux échecs, un échantillon monocristallin d'oxyde de nickel La4Ni3O10 à trois couches en phase pure a finalement été synthétisé avec succès. En outre, l'équipe a effectué une série de mesures de diffraction des neutrons et de diffraction des rayons X,La structure du réseau, les coordonnées atomiques de l'oxygène et la teneur du matériau ont été mesurées avec précision, et il a été constaté qu'il n'y avait presque aucun défaut d'oxygène au sommet.。

(a) Photo d'un échantillon monocristallin La4Ni3O10-δ ; (b) Données de diffraction des neutrons et des rayons X sur un monocristal (c) Evolution de la structure du réseau sous pression ;

Sur la base d'échantillons monocristaux de haute qualité, l'équipe et ses collaborateurs ont utilisé la technologie des enclumes de diamant pour découvrir le phénomène supraconducteur de résistance nulle induit par la pression de La4Ni3O10. Sous une pression de 69 GPa, la température critique supraconductrice atteint 30 K. On estime, sur la base de données diamagnétiques, que la fraction volumique supraconductrice de cet échantillon monocristallin atteint 86 %, confirmant les propriétés supraconductrices globales de l'oxyde de nickel.

Résultats des mesures de résistance et de susceptibilité magnétique d'un échantillon monocristallin La4Ni3O10-δ

Contrairement à la couche infinie et à la double couche d'oxyde de nickel, où les surfaces NiO2 ont le même environnement chimique, la structure sandwich unique formée par la structure à trois couches permet aux couches externe et intermédiaire des surfaces NiO2 d'avoir des environnements chimiques différents, permettant ainsi au Les couches internes et externes doivent avoir des environnements chimiques différents. Différentes structures magnétiques, forces de corrélation électronique, concentrations de charges et même force d'appariement supraconducteur sont produites dans la surface du NiO2, ce qui offre également plus de possibilités de régulation de la supraconductivité.Fournit une plateforme unique pour comprendre le rôle du couplage intercouche et du transfert de charge dans la formation de supraconductivité à haute température。

De plus, l'oxyde de nickel à trois couches a un ordre antiferromagnétique plus fort que les systèmes à couches infinies et doubles, ce qui constitue une bonne base pour comprendre la relation entre la corrélation de spin et les fluctuations de spin et le mécanisme supraconducteur à haute température de l'oxyde de nickel. Il est largement admis que les opportunités et les fluctuations de spin jouent un rôle clé dans l’appariement supraconducteur des cuprates.

Les résultats de cette recherche décrivent également délicatement le diagramme de phase supraconducteur du système La4Ni3O10 sous pression, clarifiant la relation entre les ondes de densité de charge/ondes de densité de spin, la supraconductivité, le comportement des métaux exotiques et les transitions de phase de la structure cristalline dans le diagramme de phase. Les résultats montrent que la supraconductivité de l'oxyde de nickel peut avoir un mécanisme de couplage intercouche différent de la supraconductivité du cuprate, ce qui fournit des informations importantes sur la recherche sur le mécanisme électrique de la supraconductivité de l'oxyde de nickel et fournit une base pour l'exploration de l'ordre de rotation-charge et de la structure de bande plate. les corrélations intercouches, les interactions complexes entre les comportements métalliques exotiques et la supraconductivité à haute température constituent une plate-forme importante pour les matériaux.

Diagramme de phase de La4Ni3O10-δ sous pression

Dans la prochaine étape, l'équipe de Zhao Jun continuera à se concentrer sur les questions majeures dans le domaine de la supraconductivité à haute température, à explorer les connexions et les mécanismes intrinsèques des supraconducteurs à haute température dans différents systèmes, et à comprendre et découvrir des supraconducteurs à haute température plus performants. .

Zhao Jun, professeur à l'Université de Fudan, Guo Jiangang, chercheur à l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences, et Zeng Qiaoshi, chercheur au Centre de recherche scientifique sur les hautes tensions de Pékin, sont les co-auteurs correspondants de l'article. Zhu Yinghao, chercheur postdoctoral au Département de physique de l'Université de Fudan, Peng Di, doctorant au Centre de recherche scientifique sur les hautes tensions de Pékin, Zhang Enkang du Département de physique de l'Université de Fudan, le professeur agrégé Pan Bingying de l'Université océanique de La Chine et l'ingénieur Chen Xu de l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences sont les co-premiers auteurs. La recherche a été soutenue par la Fondation nationale pour la science et la technologie, le ministère de la Science et de la Technologie, la Commission des sciences et technologies de Shanghai, la Fondation des sciences naturelles de Pékin et la Fondation des sciences naturelles du Shandong. Une partie des données de cette étude a été collectée sur de grandes plateformes scientifiques telles que le Comprehensive Extreme Conditions Experimental Facility de l'Académie chinoise des sciences, le Laboratoire national d'Oak Ridge aux États-Unis et la Source de rayonnement synchrotron de Shanghai.

Lien vers l'article

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

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Médiathèque scolaire

Mot

Yin Menghao Ding Chaoyi

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Photo fournie par la personne interrogée

Rédacteur en charge

Yin Menghao

Qiu Jiexin

▼Pour plus d'informations sur Fudan, veuillez prêter attention au site officiel de l'Université de Fudan.