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Los superconductores han atraído mucha atención debido a su enorme potencial de aplicación.

Buscando nuevos superconductores de alta temperatura

Es el objetivo por el que se esfuerza la comunidad científica.

Nature acaba de publicar los últimos resultados de la Universidad de Fudan

¡Descubierto otro nuevo superconductor de alta temperatura!

Departamento de Física, Universidad de Fudan

El equipo del profesor Zhao Jun

Cultivado con éxito utilizando tecnología de zona flotante óptica de alta presión

Tres capas de óxido de níquel La4Ni3O10

Muestras monocristalinas de alta calidad.

demostradoLos óxidos de níquel tienen propiedades inducidas por la presión.

superconductividad masiva

(superconductividad en masa)

Su fracción de volumen superconductor alcanza el 86%

El estudio también encontró que este tipo de material exhibe

Metales exóticos y comportamiento único de acoplamiento entre capas.

Ayudar a las personas a comprender el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura.

Proporciona nuevas perspectivas y plataformas.

En la tarde del 17 de julio, hora de Beijing, los resultados de la investigación se publicaron en el último número de Nature con el título "Superconductividad en monocristales tricapa presurizados de La4Ni3O10-δ". Al mismo tiempo, Nature recomendó y presentó los aspectos más destacados de este artículo en la columna "Noticias y opiniones" bajo el título "Se amplía la búsqueda de la superconductividad".

Foto de grupo de los miembros del equipo de investigación de Zhao Jun (tercero desde la izquierda en la primera fila)

¿Puede el óxido de níquel ser superconductor a granel?

Los acertijos de física tienen respuestas

Los superconductores se refieren a materiales que tienen resistencia cero y son completamente diamagnéticos bajo una temperatura de transición específica. Pueden usarse ampliamente en campos como la transmisión y el almacenamiento de energía, imágenes médicas, trenes maglev y computación cuántica. aplicaciones valor. Hasta ahora, 10 científicos han ganado el Premio Nobel por sus investigaciones sobre la superconductividad.

En 1911, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes descubrió por primera vez la superconductividad en el mercurio (Hg) cuando lo enfrió a aproximadamente 4 K ("K" significa termodinámica. Cuando la unidad de temperatura es "Kelvin" (4 K = -269,15 ℃), la La resistencia del mercurio desaparece repentinamente y se vuelve cero. Durante mucho tiempo, los científicos creyeron que sólo los metales convencionales y las aleaciones simples como el mercurio, el plomo y el aluminio podían presentar superconductividad a temperaturas extremadamente bajas.

No fue hasta 1986 que Johannes Georg Bednorz y Karl Alexander Müller descubrieron la superconductividad de alta temperatura en el fenómeno del óxido de cobre, bario y lantano (La-Ba-Cu-O). La temperatura crítica puede alcanzar los 30 K. Posteriormente, científicos de muchos países, incluidos científicos chinos, elevaron la temperatura crítica del superconductor al rango de temperatura del nitrógeno líquido (77 K) hasta superar los 130 K.

El descubrimiento de la superconductividad a altas temperaturas rompió la comprensión de que la superconductividad sólo puede existir a temperaturas extremadamente bajas.A lo largo de los años, científicos de todo el mundo han llevado a cabo diversas formas de investigación en profundidad sobre el fenómeno de la superconductividad de alta temperatura. Sin embargo, después de casi cuatro décadas de esfuerzos, su mecanismo de formación sigue siendo un misterio sin resolver.

Un tema importante en el estudio de la superconductividad de alta temperatura es la búsqueda de nuevos superconductores de alta temperatura. Por un lado, se espera encontrar pistas para comprender el mecanismo de la superconductividad a altas temperaturas desde una nueva perspectiva. Por otro, los nuevos sistemas materiales también pueden ofrecer nuevas perspectivas de aplicación.

El níquel está al lado del cobre en la tabla periódica y el óxido de níquel se considera uno de los materiales candidatos importantes para lograr la superconductividad a altas temperaturas.Pero después de décadas de investigación, se descubrió que las condiciones para lograr la superconductividad en el óxido de níquel son muy exigentes.

En 2019, se informó que el sistema Nd0.8Sr0.2NiO2 con infinitas capas de superficies de NiO2 tenía superconductividad, con una temperatura de transición de aproximadamente 5-15 K. Sin embargo, la superconductividad de este tipo de sistema sólo puede existir en muestras de películas delgadas y los materiales a granel no pueden alcanzar la superconductividad.

En 2023, los científicos chinos descubrieron la superconductividad de alta temperatura inducida por la presión en el óxido de níquel La3Ni2O7 con una estructura superficial de NiO2 de doble capa. La temperatura crítica superconductora alcanzó los 80 K, aumentando aún más la temperatura de transición superconductora del óxido de níquel a la del nitrógeno líquido. . Sin embargo, este material tiene una fracción de volumen superconductora baja, exhibe fácilmente superconductividad filamentosa y es difícil formar superconductividad en masa. Por lo tanto, es crucial encontrar nuevos sistemas superconductores, aumentar la fracción de volumen superconductor y lograr superconductividad en masa.

En los resultados de la investigación publicados por Nature esta vez, el equipo de Zhao Jun sintetizó con éxito una muestra monocristalina de óxido de níquel de tres capas de alta calidad La4Ni3O10. La muestra exhibió resistencia cero y Meiss completamente diamagnética por debajo de la temperatura crítica de superconducción, el volumen superconductor. La fracción alcanza el 86%, lo que demuestra claramente las propiedades superconductoras del óxido de níquel.

"Esta fracción de volumen superconductor es cercana a la de los superconductores de cuprato de alta temperatura, lo que sin duda confirma la superconductividad en masa del óxido de níquel", dijo Zhao Jun.

Proporcionar una nueva perspectiva y plataforma para la investigación superconductora.

Comprometidos con el descubrimiento de superconductores de alta temperatura de mayor rendimiento

Zhao Jun llegó al Departamento de Física de la Universidad de Fudan en 2012 después de completar su trabajo postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley. Su investigación se centra en la dispersión de neutrones en sistemas electrónicos relacionados, como los superconductores de alta temperatura y los materiales magnéticos cuánticos. También se dedica al crecimiento de muestras a gran escala y de alta calidad y a la medición de sus propiedades termodinámicas y de transporte.

"Los avances en la investigación de la superconductividad de alta temperatura se deben principalmente a experimentos, especialmente al descubrimiento de nuevos superconductores. Hasta ahora, hay muchos fenómenos que no pueden explicarse completamente mediante las teorías existentes", dijo Zhao Jun: "Las condiciones de crecimiento del óxido de níquel simple". Las muestras de cristales son muy duras, es necesario mantener una temperatura alta y un gradiente de temperatura agudo en un entorno específico de alta presión de oxígeno para lograr un crecimiento estable de las muestras de monocristal. Dado que la ventana de presión de oxígeno para la formación de fases es pequeña, las capas de óxido de níquel son múltiples. "Los componentes son propensos a aparecer. Es un fenómeno simbiótico, y es fácil tener una gran cantidad de defectos en las posiciones de oxígeno del vértice durante el proceso de crecimiento, lo que puede ser la razón del bajo contenido superconductor de óxido de níquel".

equipoUtilizando tecnología de zona flotante óptica de alta presión Se cultivó una gran cantidad de muestras y se buscaron y resumieron constantemente las reglas. Después de muchos fracasos, finalmente se sintetizó con éxito una muestra monocristalina de óxido de níquel La4Ni3O10 de tres capas en fase pura. Además, el equipo llevó a cabo una serie de mediciones de difracción de neutrones y difracción de rayos X,Se midieron con precisión la estructura reticular, las coordenadas atómicas de oxígeno y el contenido del material, y se descubrió que casi no había defectos de oxígeno en los vértices.。

(a) Foto de la muestra de monocristal de La4Ni3O10-δ; (b) Datos de difracción de monocristal de rayos X y neutrones (c) Evolución de la estructura reticular bajo presión;

A partir de muestras monocristalinas de alta calidad, el equipo y sus colaboradores utilizaron tecnología de yunque de diamante para descubrir el fenómeno de resistencia cero inducido por la presión del superconductor en La4Ni3O10. Bajo una presión de 69 GPa, la temperatura crítica del superconductor alcanza los 30 K. Se estima, basándose en datos diamagnéticos, que la fracción de volumen superconductor de esta muestra de cristal único llega al 86%, lo que confirma las propiedades superconductoras en masa del óxido de níquel.

Resultados de la medición de resistencia y susceptibilidad magnética de una muestra de monocristal de La4Ni3O10-δ

A diferencia de la capa infinita y el óxido de níquel de doble capa, donde las superficies de NiO2 tienen el mismo ambiente químico, la estructura sándwich única formada por la estructura de tres capas permite que las capas externas y medias de las superficies de NiO2 tengan diferentes ambientes químicos, permitiendo así la Las capas internas y externas tienen diferentes entornos químicos. En la superficie del NiO2 se producen diferentes estructuras magnéticas, fuerzas de correlación de electrones, concentraciones de carga e incluso la fuerza del emparejamiento superconductor, lo que proporciona más posibilidades para la regulación de la superconductividad.Proporciona una plataforma única para comprender el papel del acoplamiento entre capas y la transferencia de carga en la formación de superconductividad de alta temperatura.。

Además, el óxido de níquel de tres capas tiene un orden antiferromagnético más fuerte que los sistemas de capa infinita y de doble capa, lo que proporciona una buena base para comprender la relación entre la correlación de espín y las fluctuaciones de espín y el mecanismo superconductor de alta temperatura del óxido de níquel. Se cree ampliamente que las oportunidades y las fluctuaciones de espín desempeñan un papel clave en el emparejamiento de superconductores de cuprato.

Los resultados de esta investigación también representan con delicadeza el diagrama de fases superconductor del sistema La4Ni3O10 bajo presión, aclarando la relación entre las ondas de densidad de carga/ondas de densidad de espín, la superconductividad, el comportamiento de los metales exóticos y las transiciones de fase de la estructura cristalina en el diagrama de fases. Los resultados muestran que la superconductividad del óxido de níquel puede tener un mecanismo de acoplamiento entre capas diferente al de la superconductividad del cuprato, lo que proporciona información importante sobre el estudio del mecanismo eléctrico de la superconductividad del óxido de níquel y proporciona una base para explorar el orden de espín-carga y la estructura de banda plana. Las correlaciones entre capas, los comportamientos metálicos exóticos y la superconductividad de alta temperatura proporcionan una importante plataforma de materiales.

Diagrama de fases de La4Ni3O10-δ bajo presión.

En el siguiente paso, el equipo de Zhao Jun continuará centrándose en cuestiones importantes en el campo de la superconductividad de alta temperatura, explorará las conexiones y mecanismos intrínsecos de los superconductores de alta temperatura en diferentes sistemas y comprenderá y descubrirá superconductores de alta temperatura de mayor rendimiento. .

Zhao Jun, profesor de la Universidad de Fudan, Guo Jiangang, investigador del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China, y Zeng Qiaoshi, investigador del Centro de Investigación Científica de Alto Voltaje de Beijing, son los coautores correspondientes del artículo. Zhu Yinghao, becario postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Fudan, Peng Di, estudiante de doctorado en el Centro de Investigación Científica de Alto Voltaje de Beijing, Zhang Enkang del Departamento de Física de la Universidad de Fudan, Profesor asociado Pan Bingying de la Universidad Ocean de China y el ingeniero Chen Xu del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China, son los coautores. La investigación contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencia y Tecnología, el Ministerio de Ciencia y Tecnología, la Comisión de Ciencia y Tecnología de Shanghai, la Fundación de Ciencias Naturales de Beijing y la Fundación de Ciencias Naturales de Shandong. Parte de los datos para este estudio se recopilaron en grandes plataformas científicas como la Instalación Experimental Integral de Condiciones Extremas de la Academia de Ciencias de China, el Laboratorio Nacional Oak Ridge en los Estados Unidos y la Fuente de Radiación Sincrotrón de Shanghai.

Enlace del artículo

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

Compilacion

Centro de medios escolares

Palabra

Yin MenghaoDing Chaoyi

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Foto proporcionada por el entrevistado.

editor a cargo

Yin Menghao

Qiu Jiexin

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