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鈀材料將代替鎳引領(lǐng)超導(dǎo)研究的新時(shí)代

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-04-27 15:45:25

對確定創(chuàng)造超導(dǎo)體的最佳方法的尋找，在現(xiàn)代物理學(xué)領(lǐng)域，一直是一個(gè)令人振奮的追求，以便在高溫和環(huán)境壓力下保持其超導(dǎo)性。近來，鎳酸鹽的出現(xiàn)為這一探索注入了活力，開啟了超導(dǎo)的新時(shí)代。

“目前只有在極低溫度或超高壓力下才能觀察到超導(dǎo)性，這意味著實(shí)驗(yàn)中使用的超導(dǎo)材料無法投入到長期、常規(guī)的應(yīng)用中，比如無損電力傳輸、超導(dǎo)磁懸浮高速列車和平價(jià)醫(yī)療影像設(shè)備。”南開大學(xué)電子信息與通信系副教授季魯說。

從1911年荷蘭科學(xué)家卡莫林發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，人類在探索超導(dǎo)材料的路上一直沒有停下腳步。100多年來，在試圖解釋超導(dǎo)機(jī)理的同時(shí)，科學(xué)家一直在想辦法提升超導(dǎo)材料的臨界溫度。

這些超導(dǎo)體的基礎(chǔ)在于鎳，促使許多科學(xué)家將這一時(shí)期的超導(dǎo)研究稱為"鎳時(shí)代"。在許多方面，鎳酸鹽與銅酸鹽相似，后者是在20世紀(jì)80年代的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的，以銅為基礎(chǔ)。

銅基（銅酸鹽）超導(dǎo)體長期以來一直保持著環(huán)境壓力下最高超導(dǎo)臨界溫度 ( Tc )的記錄。2019年，經(jīng)過數(shù)十年的理論和實(shí)驗(yàn)努力，研究人員報(bào)告了一種鎳基（鎳酸鹽）模擬銅酸鹽超導(dǎo)體。從那時(shí)起，其他人就試圖找出在這種單軌道主導(dǎo)系統(tǒng)中控制超導(dǎo)性的因素。

科學(xué)家建議用用鈀代替鎳

日本兵庫大學(xué)的Motoharu Kitatani和他的同事現(xiàn)在確定了其中的一些因素，并建議用鈀代替鎳可以提供一種材料，其超導(dǎo)溫度甚至高于銅酸鹽超導(dǎo)體。該研究可能有助于指導(dǎo)對新型超導(dǎo)材料的持續(xù)研究，并使“鈀”成為市場上的新生事物。

Kitatani和他的同事此前曾使用一種稱為單波段Hubbard模型的標(biāo)準(zhǔn)凝聚態(tài)物理模型來預(yù)測鎳化物的Tc，并使用無缺陷鎳化物薄膜中的測量結(jié)果驗(yàn)證了他們的預(yù)測。現(xiàn)在，通過模擬這個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)改變電子的相互作用強(qiáng)度、填充因子和能量動(dòng)量色散，研究人員追蹤了導(dǎo)致超導(dǎo)性出現(xiàn)的電子-電子配對的強(qiáng)度。這使他們能夠確定優(yōu)化Tc的電子配置。

然而，根據(jù)他們的結(jié)果，無論是鎳化物還是銅化物都無法接近這些優(yōu)化的條件。相反，研究人員發(fā)現(xiàn)，由于相互作用較弱，因此相關(guān)性較弱，Paladates可以更接近使Tc最大化的最佳“Goldilocks”條件。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了"Goldilocks區(qū)"，在這個(gè)區(qū)里，超導(dǎo)性工作得特別好。而這個(gè)區(qū)域既不是用鎳也不是用銅，而是用鈀來達(dá)到。這可能為超導(dǎo)研究帶來一個(gè)新的"鈀金時(shí)代"。這些結(jié)果現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表在科學(xué)雜志《物理評論快報(bào)》上。

尋找更高的過渡溫度

在高溫下，超導(dǎo)體的行為與其他導(dǎo)電材料非常相似。但是當(dāng)它們被冷卻到某個(gè)"臨界溫度"以下時(shí)，它們就會發(fā)生巨大的變化：它們的電阻完全消失，突然間它們可以毫無損失地導(dǎo)電。材料在超導(dǎo)和正常導(dǎo)電狀態(tài)之間變化的這一極限，被稱為"臨界溫度"。

"我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠計(jì)算出整個(gè)系列材料的這個(gè)"臨界溫度"。通過我們在高性能計(jì)算機(jī)上的建模，我們能夠高度準(zhǔn)確地預(yù)測鎳酸鹽超導(dǎo)的相圖，正如后來的實(shí)驗(yàn)所顯示的那樣，"來自維也納大學(xué)固體物理研究所的Karsten Held教授說。

許多材料只有在絕對零度以上（-273.15°C）才會成為超導(dǎo)體，而其他材料即使在更高的溫度下也能保持其超導(dǎo)特性。一種在正常室溫和正常大氣壓力下仍然保持超導(dǎo)性的超導(dǎo)體將從根本上改變我們產(chǎn)生、運(yùn)輸和使用電力的方式。然而，這樣一種材料還沒有被發(fā)現(xiàn)。

盡管如此，高溫超導(dǎo)體，包括那些杯狀物類的超導(dǎo)體，在技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用--例如，在傳輸大電流或產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場方面。

銅？鎳？還是鈀？

尋找最佳的超導(dǎo)材料是很困難的：有許多不同的化學(xué)元素會出現(xiàn)問題。可以把它們放在不同的結(jié)構(gòu)中，可以添加其他元素的微小痕跡來優(yōu)化超導(dǎo)性。Karsten Held教授說："為了找到合適的候選材料，你必須在量子物理學(xué)層面上了解電子在材料中如何相互作用。"

這表明，電子的相互作用強(qiáng)度有一個(gè)最佳值。相互作用必須是強(qiáng)的，但也不能太強(qiáng)。在這兩者之間有一個(gè)"黃金地帶"，使其有可能達(dá)到最高的過渡溫度。

鈀酸鹽是最佳解決方案

這個(gè)中等相互作用的黃金區(qū)域既不能用銅酸鹽也不能用鎳酸鹽來達(dá)到--但人們可以用一種新型的材料來擊中靶心：所謂的鈀酸鹽。"鈀在周期表中直接比鎳低一行。屬性相似，但那里的電子平均離原子核和彼此更遠(yuǎn)一些，所以電子相互作用更弱，"卡斯滕-海德說。

該模型計(jì)算顯示了如何實(shí)現(xiàn)鈀數(shù)據(jù)的最佳過渡溫度。"計(jì)算結(jié)果是非常有希望的，"卡斯滕-赫爾德說。"我們希望，我們現(xiàn)在可以利用它們來啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。如果我們有一個(gè)全新的、額外的鈀類材料可用來更好地理解超導(dǎo)性，并創(chuàng)造出更好的超導(dǎo)體，這可能會使整個(gè)研究領(lǐng)域向前發(fā)展。"

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