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Os supercondutores têm atraído muita atenção devido ao seu enorme potencial de aplicação

Procurando por novos supercondutores de alta temperatura

É o objetivo que a comunidade científica almeja

A Nature acaba de divulgar os últimos resultados da Universidade Fudan

Outro novo supercondutor de alta temperatura descoberto!

Departamento de Física, Universidade Fudan

Equipe do professor Zhao Jun

Crescido com sucesso usando tecnologia de zona flutuante óptica de alta pressão

Três camadas de óxido de níquel La4Ni3O10

Amostras de cristal único de alta qualidade

comprovadoOs óxidos de níquel são induzidos por pressão

supercondutividade em massa

(supercondutividade em massa)

Sua fração volumétrica supercondutora chega a 86%

O estudo também constatou que esse tipo de material apresenta

Metais exóticos e comportamento único de acoplamento entre camadas

Para ajudar as pessoas a compreender o mecanismo da supercondutividade em alta temperatura

Fornece novas perspectivas e plataformas

Na noite de 17 de julho, horário de Pequim, os resultados da pesquisa foram publicados na última edição da Nature sob o título "Supercondutividade em monocristais pressurizados de tricamada La4Ni3O10-δ". Ao mesmo tempo, a Nature recomendou e apresentou os destaques deste artigo na coluna "Notícias e visualizações" sob o título "A busca por supercondutividade se amplia".

Foto de grupo dos membros da equipe de pesquisa de Zhao Jun (terceiro a partir da esquerda na primeira fila)

O óxido de níquel pode ser um supercondutor em massa?

Quebra-cabeças de física têm respostas

Supercondutores referem-se a materiais que têm resistência zero e são completamente diamagnéticos sob uma temperatura de transição específica. Eles podem ser amplamente utilizados em áreas como transmissão de energia e armazenamento de energia, imagens médicas, trens maglev e computação quântica. valor das aplicações. Até agora, 10 cientistas ganharam o Prémio Nobel pelas suas pesquisas sobre supercondutividade.

Em 1911, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes descobriu pela primeira vez a supercondutividade no mercúrio (Hg) quando resfriou o mercúrio a cerca de 4 K ("K" significa termodinâmica. Quando a unidade de temperatura é "Kelvin" (4 K = -269,15 ℃), o a resistência do mercúrio desaparece repentinamente e se torna zero. Durante muito tempo, os cientistas acreditaram que apenas metais convencionais e ligas simples como mercúrio, chumbo e alumínio poderiam apresentar supercondutividade em temperaturas extremamente baixas.

Foi somente em 1986 que Johannes Georg Bednorz e Karl Alexander Müller descobriram a supercondutividade de alta temperatura no óxido de lantânio, bário e cobre (La-Ba-Cu-O). Fenômeno, a temperatura crítica pode chegar a 30 K. Mais tarde, cientistas de muitos países, incluindo cientistas chineses, elevaram a temperatura crítica dos supercondutores para a faixa de temperatura do nitrogênio líquido (77 K) até ultrapassar 130 K.

A descoberta da supercondutividade em alta temperatura quebrou a compreensão das pessoas de que a supercondutividade só pode existir em temperaturas extremamente baixas.Ao longo dos anos, cientistas de todo o mundo conduziram várias formas de investigação aprofundada sobre o fenómeno da supercondutividade a alta temperatura. No entanto, após quase quatro décadas de esforços, o seu mecanismo de formação ainda é um mistério não resolvido.

Um tópico importante no estudo da supercondutividade de alta temperatura é a busca por novos supercondutores de alta temperatura. Por um lado, as pessoas esperam encontrar pistas para compreender o mecanismo da supercondutividade de alta temperatura a partir de uma nova perspectiva. Por outro lado, novos sistemas de materiais também podem fornecer novas perspectivas de aplicação.

O níquel está próximo ao cobre na tabela periódica, e o óxido de níquel é considerado um dos materiais candidatos importantes para alcançar a supercondutividade em alta temperatura.Mas depois de décadas de investigação, descobriu-se que as condições para alcançar a supercondutividade no óxido de níquel são muito exigentes.

Em 2019, foi relatado que o sistema Nd0.8Sr0.2NiO2 com infinitas camadas de superfícies de NiO2 tinha supercondutividade, com uma temperatura de transição de cerca de 5-15 K. No entanto, a supercondutividade deste tipo de sistema só pode existir em amostras de filmes finos, e os materiais a granel não podem atingir a supercondutividade.

Em 2023, cientistas chineses descobriram supercondutividade de alta temperatura induzida por pressão em óxido de níquel La3Ni2O7 com uma estrutura de superfície de NiO2 de camada dupla. A temperatura crítica supercondutora atingiu 80 K, aumentando ainda mais a temperatura de transição supercondutora do óxido de níquel para a zona de temperatura do nitrogênio líquido. . No entanto, este material tem uma baixa fração de volume supercondutor, exibe facilmente supercondutividade filamentar e é difícil de formar supercondutividade em massa. Portanto, é crucial encontrar novos sistemas supercondutores, aumentar a fração volumétrica supercondutora e alcançar a supercondutividade em massa.

Nos resultados da pesquisa divulgados pela Nature desta vez, a equipe de Zhao Jun sintetizou com sucesso uma amostra de cristal único La4Ni3O10 de óxido de níquel de três camadas de alta qualidade. A amostra exibiu resistência zero e Meiss completamente diamagnético abaixo do efeito Nano supercondutor, o volume supercondutor. a fração atinge 86%, o que comprova fortemente as propriedades supercondutoras do óxido de níquel.

"Esta fração de volume supercondutora é próxima da dos supercondutores cuprato de alta temperatura, o que sem dúvida confirma a supercondutividade em massa do óxido de níquel."

Fornecer uma nova perspectiva e plataforma para pesquisa de supercondutores

Comprometido em descobrir supercondutores de alto desempenho e alta temperatura

Zhao Jun veio para o Departamento de Física da Universidade Fudan em 2012 após concluir seu trabalho de pós-doutorado na Universidade da Califórnia, Berkeley. Sua pesquisa se concentra na pesquisa de espalhamento de nêutrons em sistemas eletrônicos relacionados, como supercondutores de alta temperatura e materiais magnéticos quânticos. também se envolveu em cristais únicos de alta qualidade e em grande escala. Crescimento de amostras e medição de suas propriedades termodinâmicas e de transporte.

"Avanços na pesquisa de supercondutividade de alta temperatura são impulsionados principalmente por experimentos, especialmente a descoberta de novos supercondutores. Até agora, existem muitos fenômenos que não podem ser totalmente explicados pelas teorias existentes." amostras de cristal são muito duras, é necessário manter alta temperatura e gradiente de temperatura acentuado em um ambiente específico de alta pressão de oxigênio para obter crescimento estável de amostras de cristal único, uma vez que a janela de pressão de oxigênio para formação de fase é pequena, camadas de óxido de níquel com múltiplas. componentes são propensos a aparecer. É um fenômeno simbiótico e é fácil ter um grande número de defeitos nas posições de oxigênio do vértice durante o processo de crescimento, o que pode ser a razão para o baixo teor supercondutor de óxido de níquel.

equipeUtilizando tecnologia de zona flutuante óptica de alta pressão Um grande número de amostras foi cultivado e as regras foram constantemente pesquisadas e resumidas. Após muitas falhas, uma amostra de cristal único de óxido de níquel La4Ni3O10 de fase pura e três camadas foi finalmente sintetizada com sucesso. Além disso, a equipe realizou uma série de medições de difração de nêutrons e difração de raios X,A estrutura da rede, as coordenadas atômicas do oxigênio e o conteúdo do material foram medidos com precisão e descobriu-se que quase não havia defeitos de oxigênio no vértice.。

(a) Foto da amostra de cristal único La4Ni3O10-δ (b) Dados de difração de nêutrons e raios X de cristal único (c) Evolução da estrutura da rede sob pressão;

Com base em amostras de cristal único de alta qualidade, a equipe e colaboradores usaram a tecnologia de bigorna de diamante para descobrir o fenômeno de resistência zero induzido por pressão da supercondução em La4Ni3O10. Sob uma pressão de 69 GPa, a temperatura crítica do supercondutor atinge 30 K. Estima-se com base em dados diamagnéticos que a fração volumétrica supercondutora desta amostra de cristal único chega a 86%, confirmando as propriedades supercondutoras em massa do óxido de níquel.

Resultados de medição de resistência e suscetibilidade magnética da amostra de cristal único La4Ni3O10-δ

Ao contrário da camada infinita e da camada dupla de óxido de níquel, onde as superfícies de NiO2 têm o mesmo ambiente químico, a estrutura sanduíche única formada pela estrutura de três camadas permite que as camadas externa e intermediária das superfícies de NiO2 tenham ambientes químicos diferentes, permitindo assim o camadas internas e externas possuem diferentes ambientes químicos. Diferentes estruturas magnéticas, forças de correlação de elétrons, concentrações de carga e até mesmo a força do emparelhamento supercondutor são produzidas na superfície de NiO2, o que oferece mais possibilidades para a regulação da supercondutividade.Fornece uma plataforma única para a compreensão do papel do acoplamento entre camadas e da transferência de carga na formação de supercondutividade de alta temperatura。

Além disso, o óxido de níquel de três camadas tem uma ordem antiferromagnética mais forte do que os sistemas de camada infinita e de camada dupla, o que fornece uma boa base para a compreensão da relação entre a correlação de spin e as flutuações de spin e o mecanismo supercondutor de alta temperatura do óxido de níquel. Acredita-se que as oportunidades e as flutuações de spin desempenham um papel fundamental no emparelhamento supercondutor de cuprato.

Os resultados desta pesquisa também retratam delicadamente o diagrama de fases supercondutoras do sistema La4Ni3O10 sob pressão, esclarecendo a relação entre ondas de densidade de carga/ondas de densidade de spin, supercondutividade, comportamento de metais exóticos e transições de fase da estrutura cristalina no diagrama de fases. Os resultados mostram que a supercondutividade do óxido de níquel pode ter um mecanismo de acoplamento intercamadas diferente da supercondutividade do cuprato, o que fornece informações importantes para o estudo do mecanismo elétrico da supercondutividade do óxido de níquel e fornece uma base para explorar a ordem de carga-ordem de spin e a estrutura de banda plana. correlações intercamadas, comportamentos metálicos exóticos e supercondutividade em alta temperatura fornecem uma importante plataforma de materiais.

Diagrama de fases de La4Ni3O10-δ sob pressão

Na próxima etapa, a equipe de Zhao Jun continuará a se concentrar em questões importantes no campo da supercondutividade de alta temperatura, explorará as conexões e mecanismos intrínsecos dos supercondutores de alta temperatura em diferentes sistemas e compreenderá e descobrirá supercondutores de alta temperatura de alto desempenho. .

Zhao Jun, professor da Universidade Fudan, Guo Jiangang, pesquisador do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, e Zeng Qiaoshi, pesquisador do Centro de Pesquisa Científica de Alta Tensão de Pequim, são os co-autores correspondentes do artigo. Zhu Yinghao, pós-doutorado no Departamento de Física da Universidade de Fudan, Peng Di, estudante de doutorado no Centro de Pesquisa Científica de Alta Tensão de Pequim, Zhang Enkang do Departamento de Física da Universidade de Fudan, Professor Associado Pan Bingying da Ocean University of China , e o engenheiro Chen Xu, do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, são os co-autores. A pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciência e Tecnologia, pelo Ministério da Ciência e Tecnologia, pela Comissão de Ciência e Tecnologia de Xangai, pela Fundação de Ciências Naturais de Pequim e pela Fundação de Ciências Naturais de Shandong. Parte dos dados para este estudo foram coletados em grandes plataformas científicas, como o Comprehensive Extreme Conditions Experimental Facility da Academia Chinesa de Ciências, o Laboratório Nacional de Oak Ridge, nos Estados Unidos, e a Fonte de Radiação Síncrotron de Xangai.

Link do artigo

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

compilação

Centro de mídia escolar

Palavra

Yin Menghao Ding Chaoyi

foto

Foto fornecida pelo entrevistado

Editor responsável

Yin Menghao

Qiu Jiexin

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