中國研究團隊又發現一新型高溫超導體

中國超導研究又有新突破。

7月18日，復旦大學宣佈，該校物理學系趙俊教授團隊利用高壓光學浮區技術，成功生長三層鎳氧化物La4Ni3O10高質量單晶樣品，並證實了鎳氧化物中具有壓力誘導的體超導電性(bulk superconductivity)。

該研究成果在7月17日晚，以“Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals”爲題發表於最新一期的《自然》雜誌上。

超導體是指在特定轉變溫度之下電阻爲零且呈現完全抗磁性(即邁斯納效應)的材料，能廣泛應用於電力傳輸和儲能、醫學成像、磁懸浮列車、量子計算等領域。

根據實現溫度不同，超導體可分爲低溫超導材料和高溫超導材料。

低溫超導材料通常需要藉助4K(-269°C)的液氦來實現20K以下的環境，來實現超導電性。由於氦氣是稀有氣體，液化技術也很難，極大地限制了低溫超導材料的應用，科學家始終在探索更高溫度的超導體。

高溫超導材料所需的溫度相對來說要高得多，通常可以達到40K(-233°C)以上，甚至可以高達-100°C以上。

鎳氧化物被認爲是實現高溫超導電性的重要候選材料之一。但在鎳氧化物中實現超導電性需要十分苛刻的條件。

趙俊及團隊此次成功合成了高質量三層鎳氧化物La4Ni3O10單晶樣品，並通過利用金剛石對頂砧技術，發現了La4Ni3O10壓力誘導的超導零電阻現象，在69 GPa壓力下，超導臨界溫度達到30K(-243.15°C)，且超導體積分數達到86%，意味着大部分材料都表現出了超導特性。

此外， 研究結果還表明了鎳氧化物超導可能與銅氧化物超導有着不同的層間耦合機制，爲鎳氧化物超導電性機理的研究提供了重要見解。

趙俊表示，此次通過實現最終得出的超導體積分數與銅氧化物高溫超導體接近，證實了鎳氧化物的體超導電性。

一位業內專家向界面新聞表示， 趙俊教授團隊此次的研究成果在超導領域是一個重要的進展 ，“他們發現的是一個全新的鎳基超導體，雖然仍需要高壓才能實現超導，但是證實超導組分很高，說明是體超導。”

去年7月，中山大學物理學院王猛教授團隊在《自然》雜誌刊登了高溫超導材料的科學成果——首次發現液氮溫區鎳氧化物超導體。液氮溫區指的是溫度在液氮沸點附近的範圍，即約-196°C左右。

王猛教授團隊在具有雙層NiO2面結構的鎳氧化物La3Ni2O7中發現了壓力誘導的高溫超導電性，超導臨界溫度達到80K(-193.15°C)。

這是繼中國科學家1980年代發現銅氧化物高溫超導體之後，人類發現的第二種液氮溫區非常規超導材料，也是在全球範圍內首次發現的全新高溫超導體系。

但該材料的超導體積分數較低，難以形成體超導電性，即在一定的壓力條件下，材料的電阻降爲零，並且表現出完全抗磁性。

超導體積分數是指在超導狀態下，材料中超導電流所佔的體積比例，反映了材料中有多少部分能夠表現出超導特性。積分數越高，說明材料的超導性能越好。

“鎳氧化物單晶樣品的生長條件十分苛刻，需要在特定的高氧壓的環境中，保持高溫和尖銳的溫度梯度，才能實現單晶樣品的穩定生長。由於成相的氧壓窗口很小，因此容易出現多種成分的鎳氧化物層狀共生的現象，且生長過程中極易出現大量頂點氧位置的缺陷，這可能是鎳氧化物超導含量低的原因。”趙俊稱。

中國科學院物理研究所研究員羅會仟此前在接受界面新聞等媒體線上採訪時表示，全世界範圍內，中國在超導基礎研究領域位於前列。

從商業化的角度看，羅會仟指出，中國科學家已經做出了全球第一根百米級鐵基超導的線材，走向了實用化道路。近幾年，民營資本也投向高溫超導帶材應用領域，瞄準強磁場、可控核聚變、磁懸浮列車等。

“但材料從發現到應用，仍有很長的路要走。商業化路途中，還有很多根本問題需要克服，大規模應用還存在一定瓶頸。”羅會仟說。