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초전도체는 엄청난 응용 가능성으로 인해 많은 주목을 받고 있습니다.

새로운 고온 초전도체 탐색

과학계가 추구하는 목표이다.

Nature는 최근 푸단대학교의 최신 결과를 발표했습니다.

또 다른 새로운 고온 초전도체 발견!

푸단대학교 물리학과

조준 교수팀

고압 광학 부동 영역 기술을 사용하여 성공적으로 성장

니켈 산화물 La4Ni3O10의 3개 층

고품질 단결정 샘플

입증됨산화니켈은 압력에 의해 유도됩니다.

벌크 초전도

(대량 초전도성)

초전도 체적 분율은 86%에 이릅니다.

이 연구는 또한 이러한 유형의 재료가 다음을 나타내는 것으로 나타났습니다.

이국적인 금속과 독특한 층간 결합 거동

고온 초전도 메커니즘의 이해를 돕기 위해

새로운 관점과 플랫폼을 제공합니다.

이번 연구 결과는 베이징 시간으로 7월 17일 저녁 네이처(Nature) 최신호에 '가압 삼중층 La4Ni3O10-δ 단결정의 초전도성'이라는 제목으로 게재됐다. 동시에 네이처는 '초전도에 대한 탐구가 넓어진다(The search for superconductivity widens)'라는 제목 아래 'News&Views' 칼럼에 이 기사의 하이라이트를 추천하고 소개했다.

자오쥔(앞줄 왼쪽에서 세 번째) 연구진의 단체사진

산화니켈이 벌크 초전도체가 될 수 있나요?

물리학 퍼즐에 답이 있습니다

초전도체는 저항이 0이고 특정 전이 온도에서 완전히 반자성을 띠는 물질을 말하며, 전력 전송 및 에너지 저장, 의료 영상, 자기 부상 열차, 양자 컴퓨팅 등의 분야에서 널리 사용될 수 있습니다. 응용 프로그램. 지금까지 10명의 과학자가 초전도성 연구로 노벨상을 수상했습니다.

1911년 네덜란드 물리학자 하이케 카머링 온네스(Heike Kamerlingh Onnes)는 수은을 약 4K("K"는 열역학을 나타냄)로 냉각했을 때 처음으로 수은(Hg)의 초전도성을 발견했습니다. 온도 단위가 "켈빈"(4K=-269.15℃)일 때, 수은의 저항이 갑자기 사라져서 0이 됩니다. 오랫동안 과학자들은 기존 금속과 수은, 납, 알루미늄과 같은 단순한 합금만이 극저온에서 초전도성을 나타낼 수 있다고 믿었습니다.

1986년이 되어서야 요하네스 게오르그 베드노르츠(Johannes Georg Bednorz)와 칼 알렉산더 뮐러(Karl Alexander Müller)가 란타늄 구리 산화물(La-Ba-Cu-O) 현상에서 고온 초전도성을 발견했으며 임계 온도는 30K에 달할 수 있습니다. 이후 중국 과학자를 비롯한 여러 나라 과학자들이 초전도 임계온도를 130K를 넘을 때까지 액체질소 온도 범위(77K)까지 올렸다.

고온 초전도의 발견은 초전도가 극히 낮은 온도에서만 존재할 수 있다는 사람들의 이해를 깨뜨렸습니다.수년에 걸쳐 전 세계의 과학자들은 고온 초전도 현상에 대해 다양한 형태의 심층 연구를 수행해 왔지만 거의 40년 동안의 노력에도 불구하고 그 형성 메커니즘은 여전히 ​​풀리지 않은 미스터리입니다.

고온초전도체 연구에서 중요한 주제는 새로운 고온초전도체를 찾는 것이다. 한편으로 사람들은 새로운 관점에서 고온 초전도 메커니즘을 이해하기 위한 단서를 찾고자 하는 반면, 새로운 재료 시스템은 새로운 응용 가능성을 제공할 수도 있습니다.

니켈은 주기율표에서 구리 다음으로 존재하며, 산화니켈은 고온 초전도성을 달성하기 위한 중요한 후보 물질 중 하나로 간주됩니다.그러나 수십 년의 연구 끝에 산화니켈에서 초전도성을 달성하기 위한 조건이 매우 까다롭다는 사실이 밝혀졌습니다.

2019년에는 NiO2 표면의 무한한 층을 가진 Nd0.8Sr0.2NiO2 시스템이 약 5-15K의 전이 온도로 초전도성을 갖는 것으로 보고되었습니다. 그러나 이러한 유형의 시스템의 초전도성은 박막 샘플에만 존재할 수 있으며 벌크 재료는 초전도성을 달성할 수 없습니다.

2023년에 중국 과학자들은 이중층 NiO2 표면 구조를 가진 산화니켈 La3Ni2O7에서 압력 유도 고온 초전도성을 발견했습니다. 초전도 임계 온도는 80K에 도달하여 산화니켈의 초전도 전이 온도를 액체 질소의 온도 영역으로 더욱 높였습니다. . 그러나 이 물질은 초전도 체적분율이 낮고, 필라멘트 초전도를 쉽게 나타내며, 벌크 초전도를 형성하기 어렵다. 따라서 새로운 초전도 시스템을 찾고, 초전도 부피 비율을 높이고, 벌크 초전도를 달성하는 것이 중요합니다.

이번에 네이처(Nature)가 발표한 연구 결과에서 조쥔(Zhao Jun) 연구팀은 고품질의 3층 니켈 산화물 La4Ni3O10 단결정 샘플을 합성하는데 성공했다. 이 샘플은 초전도 임계 온도인 나노 효과 이하에서 저항이 0이고 완전한 반자성 마이스(Meiss)를 나타냈다. 분율은 86%에 달하며 이는 산화니켈의 벌크 초전도 특성을 강력하게 입증합니다.

Zhao Jun은 "이 초전도 부피 비율은 구리산염 고온 초전도체의 부피 비율에 가깝습니다. 이는 의심할 여지 없이 산화니켈의 대량 초전도성을 확인시켜 줍니다."라고 말했습니다.

초전도 연구를 위한 새로운 관점과 플랫폼 제공

고성능 고온초전도체 발굴에 전념

조준(Zhao Jun)은 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스에서 박사후 과정을 마친 후 2012년 푸단대학교 물리학과에 부임했으며, 주로 고온 초전도체, 양자자기재료 등 관련 전자 시스템에 대한 중성자 산란 연구를 담당하고 있다. 또한 대규모 고품질 단결정의 성장과 열역학적 특성 및 수송 특성의 측정에도 참여하고 있습니다.

"고온 초전도 연구의 획기적인 발전은 주로 실험, 특히 새로운 초전도체의 발견에 의해 주도됩니다. 지금까지 기존 이론으로 완전히 설명할 수 없는 현상이 많이 있습니다." Zhao Jun은 "산화니켈 단일의 성장 조건은 다음과 같습니다."라고 말했습니다. 결정 샘플은 매우 가혹합니다. 단결정 샘플의 안정적인 성장을 달성하려면 특정 높은 산소 압력 환경에서 고온과 날카로운 온도 구배를 유지해야 합니다. 상 형성을 위한 산소 압력 창이 작기 때문에 여러 개의 산화 니켈 층이 있습니다. 이는 공생 현상으로 성장 과정에서 꼭지점 산소 위치에 결함이 많이 생기기 쉬우며 이는 산화니켈의 초전도 함량이 낮은 이유일 수 있습니다.”

팀고압 광학 플로팅 존 기술 활용 많은 수의 샘플을 성장시키고 규칙을 지속적으로 검색하고 요약하여 많은 실패 끝에 최종적으로 순상 3층 La4Ni3O10 산화니켈 단결정 샘플이 성공적으로 합성되었습니다. 또한, 연구팀은 일련의 중성자 회절 및 X선 회절 측정을 수행했으며,격자 구조와 산소 원자 좌표, 물질의 함량 등을 정확하게 측정한 결과 정점 산소 결함이 거의 없는 것으로 나타났다.。

(a) La4Ni3O10-δ 단결정 샘플 사진, (b) 중성자 및 X-선 단결정 회절 데이터, (c) 압력 하에서 격자 구조의 진화

고품질 단결정 샘플을 기반으로 팀과 공동 연구자는 다이아몬드 모루 기술을 사용하여 La4Ni3O10 압력에 의해 유도된 초전도 제로 저항 현상을 발견했습니다. 69GPa의 압력에서 초전도 임계 온도는 30K에 도달합니다. 반자성 데이터를 기반으로 이 단결정 샘플의 초전도 부피 분율이 86%에 달하는 것으로 추정되어 산화니켈의 벌크 초전도 특성을 확인합니다.

La4Ni3O10-δ 단결정 시료의 저항 및 자화율 측정 결과

NiO2 표면의 화학적 환경이 동일한 무한층 및 이중층 니켈산화물과 달리 3층 구조로 형성된 독특한 샌드위치 구조로 인해 NiO2 표면의 외부층과 중간층이 서로 다른 화학적 환경을 가질 수 있어 내부 및 외부 층은 서로 다른 화학적 환경을 갖습니다. NiO2 표면에서는 서로 다른 자기 구조, 전자 상관 강도, 전하 농도, 심지어 초전도 쌍의 강도가 생성되므로 이 구조도 초전도 조절에 더 많은 가능성을 제공합니다.고온 초전도 형성에서 층간 결합 및 전하 이동의 역할을 이해하기 위한 고유한 플랫폼을 제공합니다.。

또한, 3층 니켈 산화물은 무한층 및 이중층 시스템보다 더 강한 반강자성 질서를 갖고 있어 스핀 상관관계와 스핀 변동 사이의 관계와 니켈 산화물의 고온 초전도 메커니즘을 이해하는 데 좋은 기초를 제공합니다. 기회와 스핀 변동은 구리산염 초전도 쌍에서 중요한 역할을 하는 것으로 널리 알려져 있습니다.

이 연구의 결과는 또한 압력 하에서 La4Ni3O10 시스템의 초전도 상태 다이어그램을 섬세하게 묘사하여 상태 다이어그램에서 전하 밀도파/스핀 밀도파, 초전도성, 이국적인 금속 거동 및 결정 구조 상전이 간의 관계를 명확히 합니다. 결과는 니켈 산화물 초전도성이 큐레이트 초전도성과 다른 층간 결합 메커니즘을 가질 수 있음을 보여 주며, 이는 니켈 산화물 초전도성의 전기적 메커니즘에 대한 연구에 대한 중요한 통찰력을 제공하고 스핀 순서-전하 순서 및 플랫 밴드 구조를 탐색하기 위한 기초를 제공합니다. 층간 상관 관계, 이국적인 금속 거동과 고온 초전도 사이의 복잡한 상호 작용은 중요한 재료 플랫폼을 제공합니다.

압력 하에서 La4Ni3O10-δ의 상태 다이어그램

다음 단계에서 Zhao Jun 팀은 계속해서 고온 초전도 분야의 주요 문제에 집중하고, 다양한 시스템에서 고온 초전도체의 본질적인 연결과 메커니즘을 탐구하며, 고성능 고온 초전도체를 이해하고 발견할 것입니다. .

푸단대학교 Zhao Jun 교수, 중국과학원 물리학연구소 연구원 Guo Jiangang, 베이징 고전압 과학연구센터 연구원 Zeng Qiaoshi가 논문의 공동 교신저자입니다. 푸단대학교 물리학과 박사후 연구원 Zhu Yinghao, 베이징 고전압 과학 연구센터 박사과정 학생 Peng Di, 푸단대학교 물리학과 Zhang Enkang, 해양대학교 Pan Bingying 부교수 중국과 중국과학원 물리학연구소의 엔지니어 Chen Xu가 공동 제1저자입니다. 이 연구는 국가과학기술재단, 과학기술부, 상하이 과학기술 위원회, 베이징 자연과학 재단, 산둥 자연과학 재단의 지원을 받았습니다. 본 연구를 위한 데이터의 일부는 중국 과학원의 종합 극한 조건 실험 시설, 미국 오크리지 국립 연구소, 상하이 싱크로트론 방사선원과 같은 대규모 과학 플랫폼에서 수집되었습니다.

기사 링크

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

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사진 제공: 인터뷰 대상자

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