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【引言】
1986年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)材料,隨后包括中國科學(xué)家在內(nèi)的多國科學(xué)家將其超導(dǎo)溫度提升到了液氮溫區(qū)(77開爾文,即零下196攝氏度)。液氮的廉價和易得,推動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、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用。但經(jīng)過近40年的研究,銅氧化物仍然是僅有的可以進入液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)體,且其超導(dǎo)機理仍未知。
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)機理。北京時間2023年7月12日,《自然》雜志刊登了中山大學(xué)王猛教授團隊主導(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。這是中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系,是人類目前發(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,將有望推動破解高溫超導(dǎo)機理,使設(shè)計和預(yù)測高溫超導(dǎo)材料成為可能,實現(xiàn)更廣泛更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
【成果簡介】
尋找鎳基超導(dǎo)體的思路,正是銅氧化物高溫超導(dǎo)多年研究帶來的啟示。人們寄希望于高壓下的鎳氧化物材料來尋找非常規(guī)超導(dǎo)電性,如La2NiO4、La3Ni2O7、La4Ni3O10等結(jié)構(gòu)體系。其中La3Ni2O7生長條件極為苛刻,平均價態(tài)為2.5價,偏離Ni的穩(wěn)定價態(tài)正2價,氧壓范圍窄,王猛教授團隊花了兩年多的時間,摸索出生長條件,采用ScIDre公司的HKZ高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐生長出高質(zhì)量La3Ni2O7單晶樣品。
王猛教授團隊學(xué)生在操作光學(xué)浮區(qū)爐
王猛教授團隊對所生長的La3Ni2O7單晶樣品開展實驗研究,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)并伴隨著一個結(jié)構(gòu)相變,形成了類似銅氧化物中八面體的結(jié)構(gòu)。王猛教授團隊隨后觀測到了78–80 K的電阻onset轉(zhuǎn)變溫度,77 K的磁化率下降溫度,以及對應(yīng)的磁場抑制超導(dǎo)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和正常態(tài)的線性電阻行為。理論分析說明,Ni離子的+2.5價發(fā)揮了特殊的作用,它的兩個不同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)上臨界磁場擬合
本工作中La3Ni2O7單晶樣品生長所用的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體系晶體生長條件:
德國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3000℃的生長溫度,晶體生長腔壓力可達300 bar,甚至10-5 mbar的高真空。適用于生長各種超導(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中國,更好的為中國晶體生長領(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
? 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3000℃
? 熔區(qū)壓力:10bar/ 50bar/ 100bar/ 150bar/ 300bar等多種規(guī)格可選
? 氧氣/氬氣/氮氣/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)
? 樣品腔可實現(xiàn)至低10-5 mbar真空環(huán)境
? 豐富的可升級選件
HKZ高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐
HKZ垂直式光示意圖
此外,在這項工作中,王猛教授團隊對La3Ni2O7單晶材料的電學(xué)性質(zhì)測量采用的是美國Quantum Design公司的綜合物性測量系統(tǒng)PPMS。PPMS是一款集成全自動的磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和形貌,甚鐵電和介電等各種物性測量的設(shè)備。該系統(tǒng)自1994年由Quantum Design在美國圣地亞哥發(fā)布以來,從最初的灌液氦系統(tǒng)到現(xiàn)在的無液氦系統(tǒng)型號PPMS DynaCool,已經(jīng)經(jīng)歷了接近30年的歷史,在全球銷售安裝了1500余套,在中國地區(qū)也有近300套,幾乎遍布于任何低溫強磁場下物性表征的科學(xué)研究實驗室,助力了無數(shù)個重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
無液氦綜合物性測量系統(tǒng)外觀圖
文獻來源:
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
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