揭開超導材料神秘面紗，神秘力量來自哪里？主要國家研究現狀如何？
文章來源：賢集網 更新時間：2023-12-01 15:11:48
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“高溫超導材料”能夠在較高溫度下實現零電阻，在核磁診斷、電力運輸、量子計算等方面應用前景廣泛，是全球科學家夢寐以求的“未來之星”。 自2019年起，北京大學物理學院量子材料科學中心副教授李源、助理教授彭瑩瑩與德國馬克斯·普朗克固體研究所（以下簡稱馬普所）教授本納德·凱默、德國卡爾斯魯厄理工學院教授馬修·勒塔康合作，圍繞銅氧化物超導溫度與磁性能量尺度間的關聯開展深入研究。 這項研究從2020年起得到了國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）與德國研究聯合會合作研究項目“模型高溫超導材料中電子態特性的晶格調控”（以下簡稱項目）的大力支持。研究成果為揭開超導材料神秘面紗——理解高溫超導的機制提供了重要線索。 超導材料的概念 超導材料是指在一定的溫度、壓力和電場條件下，電阻變為零的材料。自從第一種超導材料銀鈷氧在1986年被發現以來，科學家們一直在探索著超導材料的發現、理論研究和應用開發。雖然在實驗室中已經制備出了一些具有優異超導性能的材料，但要將它們從實驗室走向大規模應用，還有很長的路要走。 首先，目前已經發現的超導材料大都需要極低的溫度才能實現超導，這對于應用的推廣帶來了很大的限制。例如，銀鈷氧的超導溫度只有-180℃左右，而且其制備過程復雜，成本較高。因此，科學家們需要不斷探索新的材料，提高超導溫度，降低制備成本。 其次，超導材料的應用場景也需要進一步拓展。目前，超導材料主要應用于磁共振成像、磁懸浮列車等領域，但其應用范圍遠遠不止于此。例如，超導材料在電力傳輸、儲能、航空航天、計算機等領域也有廣泛的應用前景，但這些領域的應用還需要進一步研究和開發。 此外，超導材料的實際應用也面臨著其他問題。例如，由于超導材料的特殊性質，其制備和加工難度較大，需要特殊的設備和技術。同時，超導材料的性能穩定性也需要進一步提高，以滿足實際應用的要求。 主要國家研究現狀 目前，超導材料的研究主要圍繞4個方面進行：新超導材料的發現及材料性質表征；超導機理研究；超導體的宏觀量子相干特性研究；超導材料的應用研究。美國、歐洲、中國、日本等主要國家在超導材料研究領域投入較大，主要國家間的技術競爭日趨激烈。 （一）美國 美國在高溫超導材料研究領域處于領先地位。美國超導材料研究主要集中在麻省理工學院、普林斯頓大學、勞倫斯·伯克利國家實驗室等高校和研究機構以及部分科技型企業。2022年3月，美國普林斯頓大學等離子體物理實驗室通過將鈮和錫經特殊方式加熱開發出新型超導體，將其用于托卡馬克聚變裝置可提高超導線電流容量。2023年1月，美國麻省理工學院發現一種利用電脈沖在“魔角”（“magic-angle”）石墨烯中“打開”和“關閉”超導性的新方法，可用于制造神經形態設備的超快、高能效超導晶體管。2023年3月7日，在美國物理學會年會上，美國羅切斯特大學物理學家蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）宣布成功合成了一種超導材料氮摻雜氫化镥（NDLH），可在室溫條件下（約20.6℃，1萬個標準大氣壓）表現出超導性。該研究結果隨即遭到多國研究人員的質疑，相關論文于11月7日被《自然》撤稿。 （二）日本和韓國 日本和韓國將高溫超導材料作為重點研究方向。日本相繼成立日本理化學研究所（RIKEN）、國際超導產業技術研究中心（ISTEC）、新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）等研發機構。2008年2月，日本科學技術振興機構和東京工業大學發現氟摻雜鑭氧鐵砷化合物表現出超導性（Tc為26K）。2018年11月，日本理化學研究所利用包含高溫超導帶材接頭的持久電流核磁共振裝置，成功獲得了核磁共振信號。 韓國的超導材料研究雖然起步較晚，但研究進展較快。2023年7月22日，韓國量子能源研究中心的研究團隊發表論文宣稱，銅摻雜鉛磷灰石材料LK-99可以通過黃鉛礦（Pb2SO5）和磷化銅（Cu3P）之間的固態反應制成，在127℃的常壓下顯示出超導性。但其他研究人員對LK-99制備實驗進行復現時，發現了很多問題，如LK-99中含有大量的水分和其他雜質，以及韓國研究團隊使用的高壓設備無法保證壓力和溫度的穩定性，且測量電阻和磁化率時并未考慮到空氣濕度、溫度波動、電流噪聲等環境因素的影響。該材料能否實現室溫超導技術突破，學界仍存爭議，仍需進行進一步驗證。 （三）歐洲 歐洲國家依托其在材料領域長期的技術積累以及在研發方面的持續投入，在高溫超導領域不斷取得突破。歐洲超導材料研究集中在瑞士、德國、英國等國。2018年12月，德國馬克斯·普朗克學會的Mikhail Eremets團隊在150~170GPa下合成氫化鑭（LaH10），并在250K溫度下發現氫化鑭具有超導性。2022年11月，瑞士蘇黎世聯邦理工學院證明扭曲的石墨烯可用于制造超導器件的基本組成部分約瑟夫森結（Josephson junction），可基于扭曲的石墨烯制造可以承載量子比特的超導量子干涉設備。 （四）中國 中國在超導材料方面的研究起步較晚，但在部分研究方向上已位居世界領先水平并不斷取得新突破。中國超導研究主要集中在中國科學院物理研究所、北京大學、中國科學技術大學等高校和研究機構。2021年5月，中國科學技術大學潘建偉團隊開發出可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，可操縱62個超導量子比特。2023年7月，中國中山大學王猛教授團隊首次發現鎳氧化物超導體（液氮溫區），是目前已知的第二種液氮溫區非常規超導材料。 天時地利，一切都是“剛剛好” “中國科學家在超導材料及其機理的研究方面水平很高，期待我們的合作能夠取得新進展。”馬修·勒塔康計劃近期到中國訪問北京大學的實驗室，深入推進相關合作，繼續探索銅氧化物的超導之謎。 作為高溫超導領域的世界知名專家，馬修·勒塔康曾與本納德·凱默一起，在高溫超導材料中的磁性相互作用研究方面作出重要貢獻。 自2019年起，他們與李源開展科研合作，圍繞銅氧化物超導材料的磁性相互作用開展研究。“這是一項天時地利兼具的合作研究，一切都是‘剛剛好’。”李源向《中國科學報》表示。 這項研究所需要的實驗材料是一系列特殊銅氧化物的“單晶”。單晶由化合物結晶而成，其內部的原子在三維空間規律排列，是從微觀層面研究超導性質的最佳對象。但是，這些單晶的獲得條件苛刻，需要科學家在實驗室對合成工藝進行長時間優化。 李源等研究人員歷時10多年，終于“集齊”了此次研究用到的兩種銅氧化物單晶。2019年，李源在成功生長出第二種單晶后，與在馬普所工作時的前同事馬修·勒塔康討論如何通過實驗測量這些材料的磁性相互作用強度。恰巧那時，英國“鉆石”光源的最新一代譜儀的能量分辨率達到了實驗要求。中德科學家為此感到振奮，開始為測量實驗做準備。 2020年，自然科學基金委發布了與德國研究聯合會合作研究的項目指南。“德國科學家在物態調控和測量實驗上經驗豐富，中國科學家則‘生長’出了完美單晶，各方面條件都在這個時間節點上齊聚，自然而然就想到了申請項目。”李源表示。 項目申請期間，新冠疫情形勢嚴峻，中德兩國科學家克服了實驗室封閉等困難，齊心協力撰寫申請書并籌備實驗。 不久后，項目獲批的好消息傳來，兩位德國科學家都為獲得中國國家自然科學基金項目的資助感到自豪。在馬修·勒塔康看來，國家自然科學基金是中國資助基礎研究的主渠道，其資助的項目是中國科研最高水平的權威體現。 挑戰超導難題 中德科學家的目標是破解超導材料中一道久未攻克的難題。 超導是一種奇妙的現象。材料在超導態下會完全失去電阻，電子得以無損耗地流動。理解超導本質，是全球科學家共同面對的挑戰。其中，電子形成的“庫珀對”是對超導本質的一個重要解釋。在極低溫度下，電子以某種方式“手拉手”形成“庫珀對”，它們能夠在微觀世界的原子森林里所向披靡、暢通無阻。 “科學家通過多年探索已經發現，電子‘庫珀對’的形成可能和磁性相互作用相關。”李源向《中國科學報》介紹，“我們的研究正是對這一認識進行實驗檢驗。” 科學家通常用“磁振子”的頻率高低來描述固體材料中的磁性相互作用強度。可以想象在一張棋盤上規則地擺滿小磁針，當有人用手碰到其中一枚磁針，棋盤上所有的磁針都會集體擺動起來，擺動產生的能量擾動就可以比作磁振子。事實上，這種集體擺動現象即使在小磁針并未形成長程有序排列的情況下也可以出現，此時的磁振子被稱為“順磁振子”。 作為晶體結構簡單、對稱性高的材料，李源主要研究的兩種銅氧化物一直都是科學家眼中研究高溫超導機制的理想材料。二者屬于同一個家族，結構非常相似，差別只是在于中間是否多加了一層。然而，二者的超導溫度卻存在較大差異：一種為97開爾文（K），另一種為128K，兩者相差約31K，大約為30%。為什么如此微小的結構差別，能導致超導臨界溫度上升30%？在項目支持下，中德科學家圍繞這個科學問題展開研究。 他們的探索著眼于“順磁振子”。借助英國“鉆石”光源，科學家主要利用“共振非彈性X射線散射”實驗方法，輔以北京大學實驗室中的“拉曼散射”方法，直接對材料中的磁性相互作用強度進行了測量。 據了解，利用英國“鉆石”光源開展的實驗為期6天。李源課題組實驗成員與彭瑩瑩等前往實驗現場，與“鉆石”光源的周克瑾等譜儀科學家一起對實驗條件進行了反復調整和優化，最終獲得了清晰的測量數據。實驗結果表明，這兩種銅氧化物的“順磁振子”能量相差20%～30%，這恰好與兩種材料超導溫度之間的差異一致。匯總更多銅氧化物材料家族的數據后，合作團隊進一步揭示了各個體系的最高超導溫度與順磁振子能量之間具有近似正比的關系。 相關研究成果2022年6月發表于《自然-通訊》。論文發表后引起了國際同行的關注。美國物理學會旗下期刊《今日物理》在一篇高溫超導機制研究的科普報道中，專門提到了這項研究。在業內專家看來，這一結果對從定量上確認可能由磁性導致的電子超導配對機制具有重要意義。 批判性“碰撞” 在項目國際合作中，李源感受最深的是雙方邊推進實驗，邊互相“批判”的工作模式。 “合作期間，雙方主要是通過電子郵件和定期會議進行交流，更多的時候是大家碰一次、完整交流一次后，就各自悶頭干一段時間。”李源表示，“這樣大家會有更多的時間和精力深入形成原創想法，避免信息交換過于頻繁而導致的同質化。” 工作一段時間后的完整交流中，雙方往往以提出不同看法的“批判”為主題。例如，上述實驗工作在論文寫作階段，中國科學家在行文用詞和下結論方面比較“大膽”，德國科學家則認為需要更加謹慎，雙方為此進行了多個回合的切磋討論，最終才形成投稿的論文。這種工作方式使雙方更加接近真相，提高了科學結論的準確性和可靠性。 一批超導領域科研新星在項目支持下成長起來。中國方面，作為上述論文共同第一作者之一，王立晨在李源課題組攻讀博士期間成功生長出其中一種銅氧化物的大尺寸單晶。2019年博士畢業后的他前往馬普所從事博士后研究，并入選“洪堡學者”人才計劃。課題組內接替王立晨工作的博士生、論文共同第一作者何冠宏與王立晨一起參與了英國的實驗，并在北京大學完成了一系列拉曼光譜的測量。在該論文發表后，受國家“博新計劃”資助的博士后洪文山大幅改進了晶體生長工藝，成功生長出了同一材料家族中超導溫度更高的下一個化合物的單晶，并已攜帶樣品多次前往英國開展實驗。 德國方面，馬修·勒塔康課題組的成員葉麥今年來到李源課題組訪問交流，推進雙方進一步工作。 他們深感國際合作不僅提升了自身科研水平，也拓寬了學術視野，建立起人脈網絡，為未來的職業發展奠定了堅實基礎。 面向未來，雙方將繼續深入開展銅氧化物超導機制方面的研究。李源期待，在雙方持續合作下，能夠開展更加“硬核”的實驗，獲得更加扎實的結論。 “我正是為此而來！”對于中國之行，馬修·勒塔康表示。目前，合作團隊計劃進一步改進實驗，排除在更換化合物時可能引入的其他影響因素，力爭在同一片晶體中實現超導溫度和磁性相互作用的可控變化并驗證兩者之間的定量關系。其中一個技術方案是用外力讓晶體發生彈性形變，這正是馬修·勒塔康研究團隊所擅長的實驗技術。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_536306.html 來源：賢集網 著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。 |
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