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I superconduttori hanno attirato molta attenzione grazie al loro enorme potenziale applicativo

Alla ricerca di nuovi superconduttori ad alta temperatura

È l’obiettivo a cui tende la comunità scientifica

La natura ha appena pubblicato gli ultimi risultati dell’Università di Fudan

Scoperto un altro nuovo superconduttore ad alta temperatura!

Dipartimento di Fisica, Università di Fudan

La squadra del professor Zhao Jun

Coltivato con successo utilizzando la tecnologia della zona flottante ottica ad alta pressione

Tre strati di ossido di nichel La4Ni3O10

Campioni di cristallo singolo di alta qualità

dimostratoGli ossidi di nichel sono indotti dalla pressione

superconduttività di massa

(superconduttività di massa)

La sua frazione volumetrica superconduttiva raggiunge l'86%

Lo studio ha anche scoperto che questo tipo di materiale espone

Metalli esotici e comportamento unico di accoppiamento tra gli strati

Aiutare le persone a comprendere il meccanismo della superconduttività ad alta temperatura

Fornisce nuove prospettive e piattaforme

La sera del 17 luglio, ora di Pechino, i risultati della ricerca sono stati pubblicati sull'ultimo numero di Nature con il titolo "Superconduttività in cristalli singoli La4Ni3O10-δ tristrato pressurizzati". Allo stesso tempo, Nature ha raccomandato e introdotto i punti salienti di questo articolo nella rubrica "News&Views" sotto il titolo "La ricerca della superconduttività si allarga".

Foto di gruppo dei membri del gruppo di ricerca di Zhao Jun (terzo da sinistra in prima fila).

L'ossido di nichel può essere un superconduttore sfuso?

I puzzle di fisica hanno una risposta

I superconduttori si riferiscono a materiali che hanno resistenza pari a zero e sono completamente diamagnetici a una temperatura di transizione specifica. Possono essere ampiamente utilizzati in campi come la trasmissione di potenza e lo stoccaggio di energia, l'imaging medico, i treni maglev e l'informatica quantistica valore delle applicazioni. Finora, 10 scienziati hanno vinto il Premio Nobel per le loro ricerche sulla superconduttività.

Nel 1911, il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes scoprì per la prima volta la superconduttività nel mercurio (Hg) quando raffreddò il mercurio a circa 4 K ("K" sta per termodinamica. Quando l'unità di temperatura è "Kelvin" (4 K=-269,15℃), la la resistenza del mercurio scompare improvvisamente e diventa zero. Per molto tempo, gli scienziati hanno creduto che solo i metalli convenzionali e le leghe semplici come il mercurio, il piombo e l’alluminio potessero mostrare superconduttività a temperature estremamente basse.

Fu solo nel 1986 che Johannes Georg Bednorz e Karl Alexander Müller scoprirono la superconduttività ad alta temperatura nell'ossido di lantanio bario rame (La-Ba-Cu-O). La temperatura critica può raggiungere i 30 K. Successivamente, scienziati di molti paesi, compresi scienziati cinesi, hanno aumentato la temperatura critica del superconduttore fino all’intervallo di temperatura dell’azoto liquido (77 K) fino a superare i 130 K.

La scoperta della superconduttività ad alta temperatura ha rotto la comprensione delle persone che la superconduttività può esistere solo a temperature estremamente basse.Nel corso degli anni, scienziati di tutto il mondo hanno condotto varie forme di ricerca approfondita sul fenomeno della superconduttività ad alta temperatura. Tuttavia, dopo quasi quattro decenni di sforzi, il suo meccanismo di formazione è ancora un mistero irrisolto.

Un argomento importante nello studio della superconduttività ad alta temperatura è la ricerca di nuovi superconduttori ad alta temperatura. Da un lato si spera di trovare indizi per comprendere il meccanismo della superconduttività ad alta temperatura da una nuova prospettiva, dall’altro nuovi sistemi materiali possono anche offrire nuove prospettive applicative.

Il nichel è accanto al rame nella tavola periodica e l'ossido di nichel è considerato uno dei materiali candidati più importanti per ottenere la superconduttività ad alta temperatura.Ma dopo decenni di ricerca, si è scoperto che le condizioni per ottenere la superconduttività nell’ossido di nichel sono molto impegnative.

Nel 2019, è stato segnalato che il sistema Nd0.8Sr0.2NiO2 con infiniti strati di facce di NiO2 ha superconduttività, con una temperatura di transizione di circa 5-15 K. Tuttavia, la superconduttività di questo tipo di sistema può esistere solo in campioni di film sottile e i materiali sfusi non possono raggiungere la superconduttività.

Nel 2023, gli scienziati cinesi hanno scoperto la superconduttività ad alta temperatura indotta dalla pressione nell'ossido di nichel La3Ni2O7 con una struttura superficiale di NiO2 a doppio strato. La temperatura critica superconduttiva ha raggiunto 80 K, aumentando ulteriormente la temperatura di transizione superconduttiva dell'ossido di nichel a quella dell'azoto liquido. . Tuttavia, questo materiale ha una bassa frazione di volume superconduttore, mostra facilmente superconduttività filamentosa ed è difficile formare superconduttività in massa. Pertanto, è fondamentale trovare nuovi sistemi superconduttori, aumentare la frazione di volume dei superconduttori e ottenere una superconduttività complessiva.

Nei risultati della ricerca pubblicati questa volta da Nature, il team di Zhao Jun ha sintetizzato con successo un campione di cristallo singolo di ossido di nichel La4Ni3O10 a tre strati di alta qualità. Il campione ha mostrato resistenza zero e Meiss completamente diamagnetico al di sotto della temperatura critica superconduttiva, il volume superconduttore la frazione raggiunge l'86%, il che dimostra fortemente le proprietà superconduttrici dell'ossido di nichel.

"Questa frazione di volume superconduttore è vicina a quella dei superconduttori cuprati ad alta temperatura, il che conferma senza dubbio la superconduttività complessiva dell'ossido di nichel", ha affermato Zhao Jun.

Fornire una nuova prospettiva e piattaforma per la ricerca sui superconduttori

Impegnati nella scoperta di superconduttori ad alta temperatura con prestazioni più elevate

Zhao Jun è arrivato al Dipartimento di Fisica dell'Università di Fudan nel 2012 dopo aver completato il suo lavoro post-dottorato presso l'Università della California, Berkeley. La sua ricerca si concentra sulla ricerca sulla diffusione dei neutroni su sistemi elettronici correlati come superconduttori ad alta temperatura e materiali magnetici quantistici si è inoltre impegnato nella crescita di cristalli singoli su larga scala e di alta qualità e nella misurazione delle loro proprietà termodinamiche e di trasporto.

"Le scoperte nella ricerca sulla superconduttività ad alta temperatura sono per lo più guidate da esperimenti, in particolare dalla scoperta di nuovi superconduttori. Finora, ci sono molti fenomeni che non possono essere completamente spiegati dalle teorie esistenti", ha detto Zhao Jun: "Le condizioni di crescita dell'ossido di nichel sono singole". I campioni di cristallo sono molto duri, è necessario mantenere una temperatura elevata e un forte gradiente di temperatura in un ambiente specifico ad alta pressione di ossigeno per ottenere una crescita stabile dei campioni a cristallo singolo. Poiché la finestra di pressione dell'ossigeno per la formazione della fase è piccola, gli strati di ossido di nichel sono multipli È un fenomeno simbiotico ed è facile che si verifichino numerosi difetti nelle posizioni di vertice dell'ossigeno durante il processo di crescita, il che potrebbe essere la ragione del basso contenuto superconduttore di ossido di nichel.

squadraUtilizzando la tecnologia della zona flottante ottica ad alta pressione È stato coltivato un gran numero di campioni e le regole sono state costantemente ricercate e riassunte. Dopo molti fallimenti, un campione monocristallino di ossido di nichel La4Ni3O10 a tre strati in fase pura è stato finalmente sintetizzato con successo. Inoltre, il team ha effettuato una serie di misurazioni di diffrazione di neutroni e di diffrazione di raggi X,La struttura reticolare, le coordinate atomiche dell'ossigeno e il contenuto del materiale sono stati misurati accuratamente e si è riscontrato che non c'erano quasi difetti di ossigeno nei vertici.。

(a) Foto del campione di cristallo singolo La4Ni3O10-δ; (b) Dati di diffrazione di neutroni e raggi X (c) Evoluzione della struttura reticolare sotto pressione;

Sulla base di campioni di cristallo singolo di alta qualità, il team e i collaboratori hanno utilizzato la tecnologia dell’incudine di diamante per scoprire il fenomeno della resistenza zero superconduttiva indotto dalla pressione di La4Ni3O10. Sotto una pressione di 69 GPa, la temperatura critica del superconduttore raggiunge i 30 K. Si stima, sulla base dei dati diamagnetici, che la frazione di volume superconduttiva di questo campione a cristallo singolo raggiunga l'86%, confermando le proprietà superconduttive dell'ossido di nichel.

Risultati della misurazione della resistenza e della suscettibilità magnetica del campione monocristallino La4Ni3O10-δ

A differenza dello strato infinito e dell'ossido di nichel a doppio strato, dove le superfici NiO2 hanno lo stesso ambiente chimico, l'esclusiva struttura a sandwich formata dalla struttura a tre strati consente agli strati esterno e intermedio delle superfici NiO2 di avere ambienti chimici diversi, consentendo così la gli strati interni ed esterni hanno ambienti chimici diversi. Nella superficie NiO2 vengono prodotte diverse strutture magnetiche, forze di correlazione elettronica, concentrazioni di carica e persino la forza dell'accoppiamento superconduttore, che offre anche maggiori possibilità di regolazione della superconduttivitàFornisce una piattaforma unica per comprendere il ruolo dell'accoppiamento tra strati e del trasferimento di carica nella formazione della superconduttività ad alta temperatura。

Inoltre, l'ossido di nichel a tre strati ha un ordine antiferromagnetico più forte rispetto ai sistemi a strato infinito e doppio strato, il che fornisce una buona base per comprendere la relazione tra la correlazione dello spin e le fluttuazioni dello spin e il meccanismo superconduttore ad alta temperatura dell'ossido di nichel. È opinione diffusa che le opportunità e le fluttuazioni dello spin svolgano un ruolo chiave nell'accoppiamento dei superconduttori cuprato.

I risultati di questa ricerca descrivono anche delicatamente il diagramma di fase superconduttore del sistema La4Ni3O10 sotto pressione, chiarendo la relazione tra onde di densità di carica/onde di densità di spin, superconduttività, comportamento esotico dei metalli e transizioni di fase della struttura cristallina nel diagramma di fase. I risultati mostrano che la superconduttività dell'ossido di nichel può avere un meccanismo di accoppiamento interstrato diverso dalla superconduttività del cuprato, che fornisce importanti spunti nella ricerca sul meccanismo elettrico della superconduttività dell'ossido di nichel e fornisce una base per esplorare l'ordine di carica e di spin e la struttura a banda piatta. le correlazioni tra gli strati, le interazioni complesse tra comportamenti metallici esotici e la superconduttività ad alta temperatura forniscono un'importante piattaforma di materiali.

Diagramma di fase di La4Ni3O10-δ sotto pressione

Nella fase successiva, il team di Zhao Jun continuerà a concentrarsi sulle principali questioni nel campo della superconduttività ad alta temperatura, esplorerà le connessioni intrinseche e i meccanismi dei superconduttori ad alta temperatura in diversi sistemi e comprenderà e scoprirà superconduttori ad alta temperatura ad alte prestazioni .

Zhao Jun, professore all'Università di Fudan, Guo Jiangang, ricercatore presso l'Istituto di fisica, Accademia cinese delle scienze, e Zeng Qiaoshi, ricercatore presso il Centro di ricerca scientifica sull'alta tensione di Pechino, sono gli autori corrispondenti dell'articolo. Zhu Yinghao, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Fudan, Peng Di, studente di dottorato presso il Centro di ricerca scientifica sull'alta tensione di Pechino, Zhang Enkang del Dipartimento di Fisica dell'Università di Fudan, il professore associato Pan Bingying dell'Università dell'Oceano di China e l’ingegnere Chen Xu dell’Istituto di fisica dell’Accademia cinese delle scienze sono i co-autori. La ricerca è stata sostenuta dalla Fondazione nazionale per la scienza e la tecnologia, dal Ministero della scienza e della tecnologia, dalla Commissione per la scienza e la tecnologia di Shanghai, dalla Fondazione di scienze naturali di Pechino e dalla Fondazione di scienze naturali di Shandong. Parte dei dati per questo studio sono stati raccolti presso grandi piattaforme scientifiche come la Comprehensive Extreme conditions Experimental Facility dell’Accademia cinese delle scienze, l’Oak Ridge National Laboratory negli Stati Uniti e la Shanghai Synchrotron Radiation Source.

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

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Yin Menghao Ding Chaoyi

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Redattore responsabile

Yin Menghao

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