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超導(dǎo)重大突破發(fā)文Nature!超導(dǎo)大事件,Quantum Design從不缺席!

時(shí)間:2023-7-19閱讀:701

【引言】


       1986年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)材料,隨后包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)家將其超導(dǎo)溫度提升到了液氮溫區(qū)(77開(kāi)爾文,即零下196攝氏度)。液氮的廉價(jià)和易得,推動(dòng)了銅氧化物高溫超導(dǎo)材料在信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)儀器、電力、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用。但經(jīng)過(guò)近40年的研究,銅氧化物仍然是僅有的可以進(jìn)入液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)體,且其超導(dǎo)機(jī)理仍未知。


       全球科學(xué)家一直致力于尋找非常規(guī)超導(dǎo)材料并解決高溫超導(dǎo)機(jī)理。北京時(shí)間2023年7月12日,《自然》雜志刊登了中山大學(xué)王猛教授團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的科學(xué)成果:發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體- La3Ni2O7。這是中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系,是人類(lèi)目前發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料,是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1"的突破,將有望推動(dòng)破解高溫超導(dǎo)機(jī)理,使設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)高溫超導(dǎo)材料成為可能,實(shí)現(xiàn)更廣泛更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。


成果簡(jiǎn)介】


       尋找鎳基超導(dǎo)體的思路,正是銅氧化物高溫超導(dǎo)多年研究帶來(lái)的啟示。人們寄希望于高壓下的鎳氧化物材料來(lái)尋找非常規(guī)超導(dǎo)電性,如La2NiO4、La3Ni2O7、La4Ni3O10等結(jié)構(gòu)體系。其中La3Ni2O7生長(zhǎng)條件極為苛刻,平均價(jià)態(tài)為2.5價(jià),偏離Ni的穩(wěn)定價(jià)態(tài)正2價(jià),氧壓范圍窄,王猛教授團(tuán)隊(duì)花了兩年多的時(shí)間,摸索出生長(zhǎng)條件,采用ScIDre公司的HKZ高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐生長(zhǎng)出高質(zhì)量La3Ni2O7單晶樣品。


王猛教授團(tuán)隊(duì)學(xué)生在操作光學(xué)浮區(qū)爐


       王猛教授團(tuán)隊(duì)對(duì)所生長(zhǎng)的La3Ni2O7單晶樣品開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)La3Ni2O7材料在常壓低溫下為絕緣體,隨著壓力的增加,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)并伴隨著一個(gè)結(jié)構(gòu)相變,形成了類(lèi)似銅氧化物中八面體的結(jié)構(gòu)。王猛教授團(tuán)隊(duì)隨后觀測(cè)到了78–80 K的電阻onset轉(zhuǎn)變溫度,77 K的磁化率下降溫度,以及對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)抑制超導(dǎo)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和正常態(tài)的線性電阻行為。理論分析說(shuō)明,Ni離子的+2.5價(jià)發(fā)揮了特殊的作用,它的兩個(gè)不同d軌道分別影響c方向和ab面內(nèi)的關(guān)聯(lián)電子態(tài),從而實(shí)現(xiàn)了非常規(guī)超導(dǎo)電性。


La3Ni2O7單晶樣品高壓下的電阻、抗磁性及超導(dǎo)上臨界磁場(chǎng)擬合


       本工作中La3Ni2O7單晶樣品生長(zhǎng)所用的HKZ高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐相關(guān)參數(shù)為:5 kW功率的氙燈、15 bar氧氣氛圍。


部分La/Pr-Ni-O體系晶體生長(zhǎng)條件:




       德國(guó)ScIDre公司推出的高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐能夠提供高達(dá)3000℃的生長(zhǎng)溫度,晶體生長(zhǎng)腔壓力可達(dá)300 bar,甚至10-5 mbar的高真空。適用于生長(zhǎng)各種超導(dǎo)材料單晶,介電和磁性材料單晶,氧化物及金屬間化合物單晶等。Quantum Design將ScIDre公司先進(jìn)的高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐、高壓氧氣氛退火爐引進(jìn)中國(guó),更好的為中國(guó)晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。


ScIDre單晶爐技術(shù)特色:

? 采用垂直式光路設(shè)計(jì)

? 采用高照度短弧氙燈,多種功率規(guī)格可選

? 熔區(qū)溫度:高達(dá)3000℃

? 熔區(qū)壓力:10bar/ 50bar/ 100bar/ 150bar/ 300bar等多種規(guī)格可選

? 氧氣/氬氣/氮?dú)?空氣/混合氣等多種氣路可選

? 采用光柵控制技術(shù),加熱功率從0-100% 連續(xù)可調(diào)

? 樣品腔可實(shí)現(xiàn)至低10-5 mbar真空環(huán)境

? 豐富的可升級(jí)選件


HKZ高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐



HKZ垂直式光示意圖


      此外,在這項(xiàng)工作中,王猛教授團(tuán)隊(duì)對(duì)La3Ni2O7單晶材料的電學(xué)性質(zhì)測(cè)量采用的是美國(guó)Quantum Design公司的綜合物性測(cè)量系統(tǒng)PPMS。PPMS是一款集成全自動(dòng)的磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和形貌,甚鐵電和介電等各種物性測(cè)量的設(shè)備。該系統(tǒng)自1994年由Quantum Design在美國(guó)圣地亞哥發(fā)布以來(lái),從最初的灌液氦系統(tǒng)到現(xiàn)在的無(wú)液氦系統(tǒng)型號(hào)PPMS DynaCool,已經(jīng)經(jīng)歷了接近30年的歷史,在全球銷(xiāo)售安裝了1500余套,在中國(guó)地區(qū)也有近300套,幾乎遍布于任何低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下物性表征的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室,助力了無(wú)數(shù)個(gè)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。


無(wú)液氦綜合物性測(cè)量系統(tǒng)外觀圖


文獻(xiàn)來(lái)源:

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06408-7


相關(guān)產(chǎn)品:
HKZ-SciDre 高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐

DYNACOOL-*無(wú)液氦綜合物性測(cè)量系統(tǒng)



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