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“明星”超導材料新性質出現，給未來研究提供新方向

文章來源：賢集網更新時間：2024-05-17 16:16:23

竹編，是中國歷史悠久的非遺手工藝技術之一。在南方竹鄉，農閑時節，老人們三五成群圍坐在院子里，一邊聊天，一邊十指翻飛，把薄薄的竹片編織成竹籃、竹匾等各種器物，其中由正六邊形和三角形交替組成的六角眼，正是最常見的紋樣，它有一個別稱：籠目。

然而你能想象嗎？這種最常見的竹編紋樣“籠目”，居然與近年來炙手可熱的超導新材料有關。

籠目超導體是一種新型超導材料，由于其特殊的幾何結構以及非局域的電子關聯作用，已展現出諸多奇異的物理性質，被認為是一種具有重要科學研究價值的新型量子材料。

“高壓”引發“競爭”

早在2022年11月，中國科學技術大學陳仙輝院士團隊吳濤教授等人就在學術期刊《自然》刊發表了關于籠目超導體的研究成果，他們利用高壓下的核磁共振譜學技術，在籠目超導體銫釩銻中觀察到一種由壓力誘導的新型電荷有序態，并發現該電荷有序態與超導態在壓力下呈現出一種類似高溫超導體的競爭相圖。

在前期研究中，中國科大研究團隊發現在壓力下，籠目超導體中超導態與電荷密度波態存在反常的競爭行為，表明可能存在尚未被發現的競爭電子序。而探索超導態與競爭電子態之間復雜的演生現象及其物理機制是當前超導研究領域的關鍵問題之一。

在前期工作基礎上，吳濤等人開展了壓力下籠目超導體銫釩銻的核磁共振研究，結果表明：當靜水壓高于約合0.6萬個大氣壓時，體系的超導電性被劇烈地壓制，與此同時演生出一種新的電荷密度波態，類似于此前在高溫銅氧化物超導體中發現的一種競爭電子序——電荷條紋序。當進一步增加壓力至約合2萬個大氣壓以上時，新的電荷密度波態被完全壓制，超導轉變溫度也同時提升至最高值。這些結果表明新的電荷有序態與超導態存在強烈的競爭，是一種新的競爭電子序。此外，研究團隊還觀察到籠目超導體中電子關聯效應導致的電荷漲落現象以及壓力下可能的非常規超導電性。

上述實驗揭示了籠目超導體中新奇的電子關聯效應以及豐富的演生現象，為理解超導態與競爭電子態之間復雜的相互作用機制提供了一個新的契機，也為在籠目超導體中探索新奇超導態提供了一個新的方向。

科學家發現“明星”超導材料新性質

今年5月15日，西湖大學特聘研究員林效團隊與西湖大學講席教授吳從軍團隊、北京理工大學準聘教授王秩偉團隊合作，在《自然》發表相關研究成果。該研究首次報道了單一超導器件、CsV3Sb5材料（銫釩銻，以下縮略為CVS）中存在的零磁場超導二極管效應和磁通量子化形成的超導干涉圖案，揭示了CVS材料存在時間反演對稱性破缺、超導疇，以及可能的環路超流。

在超導體中，在滿足特定溫度、磁場的情況下，電流可以“無阻力”地流動。這種“好用”的電流叫做超導電流，可以被用于高效率的電力傳輸、高靈敏的傳感及快速的邏輯器件。超導電流有可能被人類靈活操縱嗎？

林效實驗室博士后樂天提出了一個“大膽”的猜想：CVS這種新型的超導材料，會不會具有在零磁場的條件下“天然”具備二極管“天賦”？團隊最終確認了實驗觀測到的零磁場超導二極管效應的真實性，從一定程度證明了CVS在超導態的時間反演對稱性破缺。

在實驗中，他們意外觀看到了一場曼妙舞蹈——超導臨界電流隨磁場變化的周期性振蕩圖案。通過對CVS器件反復升降溫測量，他們發現零磁場超導二極管的極性以及超導干涉圖案會發生改變，從而充分證實了超導疇的設想。

吳從軍團隊基于已有的實驗結果構建了超導疇中形成超導環路的理論模型，給出的理論計算與實驗結果定性上符合，初步提供了理論的圖像。

換句話說，他們首次揭示了超導材料CVS此前從未被發現的一些特質，為未來籠目超導材料和超導量子電子學的研究提供了重要的實驗證據和實驗方向。

為什么超導研究正處于“黃金時代”？

在科技飛速發展的今天，新材料技術不斷突破，其中超導材料無疑是最令人矚目的科技成果之一。超導材料，顧名思義，是指在一定條件下，電阻為零的導電材料。這種材料具有非常高的導電性和抗磁性，能夠在低溫下實現零電阻，為人類提供了一種全新的電能傳輸和儲存方式。

超導材料的應用領域極其廣泛，涵蓋了科技、醫學、工業等各個領域。在科技領域，超導材料可以用于高能物理實驗、電磁學研究、衛星通信等高科技領域。在醫學領域，超導材料可以用于核磁共振成像、醫用超導設備等醫療設施。在工業領域，超導材料可以用于大型電動機、發電機、變壓器等設備，提高能源利用效率。

超導材料制備和應用存在的挑戰

然而，超導材料的制備和應用仍存在一些挑戰。首先，超導材料的價格昂貴，需要大量的資金投入。其次，超導材料需要低溫環境才能實現零電阻，這需要特殊的冷卻設備，增加了應用成本。此外，超導材料的穩定性、可靠性等問題也需要進一步研究和解決。

盡管面臨諸多挑戰，但超導材料的未來發展前景依然廣闊。隨著科技的不斷進步，超導材料的成本將逐漸降低，體積將逐漸縮小，性能將逐漸提高。未來，超導材料可以應用于高速列車、遠距離輸電、太陽能發電等領域，實現能源的高效傳輸和利用。

綜上所述，超導材料是未來科技發展的重要方向，具有巨大的潛力和無限的可能性。雖然目前超導材料還存在一些問題和挑戰，但隨著科技的不斷進步和應用的不斷深入，相信超導材料將會在更多領域發揮重要作用，為人類帶來更多的便利和進步。

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