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零電阻不再是夢：復(fù)旦團(tuán)隊新型高溫超導(dǎo)體研究，點亮未來技術(shù)之光！ .
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2024-07-19 15:25:37
超導(dǎo)，這一神秘而令人著迷的現(xiàn)象，自被發(fā)現(xiàn)以來，一直是科學(xué)界的焦點。它具有巨大的應(yīng)用潛力，能廣泛應(yīng)用于電力傳輸和儲能、醫(yī)學(xué)成像、磁懸浮列車、量子計算等眾多領(lǐng)域。尋找新型高溫超導(dǎo)體，成為科學(xué)界孜孜以求的目標(biāo)。而在這一征程上，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系趙俊教授團(tuán)隊取得了重大突破，他們的研究成果于北京時間 7 月 17 日晚發(fā)表在最新一期的《自然》（Nature）雜志上，為超導(dǎo)研究開辟了新的天地。



超導(dǎo)現(xiàn)象的魅力與挑戰(zhàn)



超導(dǎo)體指的是在特定轉(zhuǎn)變溫度之下電阻為零且呈現(xiàn)完全抗磁性的材料。自 1911 年首次在汞中觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象以來，它便展現(xiàn)出了巨大的吸引力。眾多科學(xué)家因其研究榮獲諾貝爾獎，足以證明超導(dǎo)領(lǐng)域的重要性。然而，高溫超導(dǎo)現(xiàn)象的核心機制至今仍是一個未解之謎。



1986 年，貝德諾爾茨和米勒在鑭鋇銅氧化物中發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，將超導(dǎo)研究推向了一個新高潮。盡管隨后的數(shù)十年里科學(xué)家們?nèi)〉昧艘欢ㄟM(jìn)展，但高溫超導(dǎo)的完整理論框架仍未構(gòu)建完成。



復(fù)旦團(tuán)隊的創(chuàng)新之路



趙俊教授團(tuán)隊不畏挑戰(zhàn)，利用高壓光學(xué)浮區(qū)技術(shù)成功生長了三層鎳氧化物 La4Ni3O10 高質(zhì)量單晶樣品。這一成果的取得并非偶然，而是團(tuán)隊長期努力和創(chuàng)新的結(jié)果。



在實驗過程中，他們面臨著諸多困難。鎳氧化物中實現(xiàn)超導(dǎo)的條件極為嚴(yán)苛，需要精確的控制和精湛的技術(shù)。然而，團(tuán)隊?wèi){借著不懈的努力和專業(yè)的知識，成功克服了這些難題。



他們所合成的 La4Ni3O10 單晶在特定條件下表現(xiàn)出了令人振奮的特性：零電阻和完全抗磁性。通過對樣品的電阻和磁化率測量，結(jié)果清晰地顯示了其超導(dǎo)行為（如圖所示）。超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了 86%，這一數(shù)據(jù)與銅氧化物高溫超導(dǎo)體接近，毫無疑問地證實了鎳氧化物的體超導(dǎo)電性。



新型高溫超導(dǎo)體的獨特性質(zhì)



研究還發(fā)現(xiàn)，該類材料呈現(xiàn)出奇異金屬和獨特的層間耦合行為。這些獨特性質(zhì)為人們理解高溫超導(dǎo)機理提供了新的視角和平臺。



奇異金屬特性的發(fā)現(xiàn)，使得原本復(fù)雜的超導(dǎo)現(xiàn)象更加引人入勝。而獨特的層間耦合行為，則為深入探究超導(dǎo)機制提供了新的線索。這意味著，對于超導(dǎo)的研究不再局限于單一的維度，而是可以從更多的角度去剖析和理解。



成果的意義與影響



這一發(fā)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)的意義和廣泛的影響。首先，它為高溫超導(dǎo)機理的研究打開了新的視野。長期以來，高溫超導(dǎo)的謎團(tuán)一直困擾著科學(xué)界，而新型高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)，為破解這一謎團(tuán)提供了新的可能性。



在實際應(yīng)用方面，這一成果也為開發(fā)更高效、更高溫的超導(dǎo)體帶來了新的希望。超導(dǎo)材料在能源、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，如果能夠進(jìn)一步提高超導(dǎo)材料的性能，將極大地推動這些領(lǐng)域的發(fā)展。



此外，對于材料科學(xué)領(lǐng)域而言，這是一次重要的突破。它證明了鎳氧化物在超導(dǎo)領(lǐng)域的潛力，為未來材料的設(shè)計和研發(fā)提供了新的思路和方向。



高溫超導(dǎo)材料在實際生活中有哪些應(yīng)用場景？



超導(dǎo)電纜：能有效降低輸電過程中的電能損耗。當(dāng)超導(dǎo)體材料冷卻到臨界溫度以下時電阻會突然完全消失，利用這一特性制成的電纜可在低溫環(huán)境中傳輸強大電流。相比傳統(tǒng)電纜，即使算上制冷系統(tǒng)的耗電，其運行總損耗也能大幅下降。例如，2021年12月世界首套全商業(yè)化運行35千伏公里級超導(dǎo)電纜示范工程開始為上海徐家匯商圈的近5萬戶用戶供電；2023年11月國內(nèi)首條高溫超導(dǎo)低壓直流電纜在江蘇蘇州并網(wǎng)投運。然而，僅靠超導(dǎo)電纜還無法實現(xiàn)超導(dǎo)送電，還需解決電纜終端處的變溫應(yīng)力導(dǎo)致連接斷裂等問題，這涉及高壓、絕緣、低溫、絕熱、材料等多項技術(shù)難關(guān)。



超導(dǎo)單晶硅生長爐：在單晶硅生產(chǎn)的直拉法中，于坩堝外施加適當(dāng)分布的磁場可抑制硅熔體的熱對流，減少雜質(zhì)進(jìn)入熔體，從而提高晶體品質(zhì)。而超導(dǎo)體能產(chǎn)生比永磁體和普通電磁鐵更高的磁場且能耗更低，解決高溫坩堝和超低溫超導(dǎo)線圈之間的隔熱問題后，就可制造出超導(dǎo)單晶硅生長爐，滿足集成電路對硅單晶材料“大尺寸、高品質(zhì)”的要求。



可控核聚變：目前主流的托克馬克裝置多采用銅或低溫超導(dǎo)磁體，其磁場強度易觸及上限，導(dǎo)致裝置體積大、造價昂貴。高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化的持續(xù)推進(jìn)，突破了低溫超導(dǎo)磁體場強上限，為托克馬克裝置的小型化提供了支持，進(jìn)而推動緊湊型托克馬克裝置的發(fā)展，同時帶動高溫超導(dǎo)帶材的放量。例如，我國交付全球最大“人造太陽”（ITER）項目最后一批磁體支撐產(chǎn)品，新一代人造太陽“中國環(huán)流器三號”首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束運行等。



超導(dǎo)感應(yīng)加熱：利用超導(dǎo)材料的特性，在金屬熱加工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更高效的加熱過程。



磁懸浮：超導(dǎo)體的完全抗磁性可應(yīng)用于磁懸浮列車，使列車實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮和高速運行。



超導(dǎo)電機：具有體積小、效率高、能耗低等優(yōu)點。



超導(dǎo)磁共振成像（MRI）：用于醫(yī)療領(lǐng)域，可提供更清晰的圖像，幫助醫(yī)生進(jìn)行疾病診斷。



超導(dǎo)量子計算機：助力提升計算機的運行速度和處理能力。



超導(dǎo)限流器：可有效限制電網(wǎng)中的故障電流，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。



電網(wǎng)：在電網(wǎng)中應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)，有助于提高電力系統(tǒng)的整體效率和可靠性。



通信行業(yè)：高溫超導(dǎo)微波器件可應(yīng)用于通信領(lǐng)域，提升信號傳輸質(zhì)量和速度。



隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低，其應(yīng)用場景可能會進(jìn)一步擴(kuò)大，為眾多領(lǐng)域帶來更高效、更先進(jìn)的解決方案。



六、未來展望



趙俊團(tuán)隊的工作并未止步于此。他們將繼續(xù)聚焦該領(lǐng)域的重大問題，深入探究不同體系高溫超導(dǎo)體的內(nèi)在聯(lián)系和機理，尋求更高性能的高溫超導(dǎo)體。



未來的研究可能會集中在以下幾個方面：進(jìn)一步優(yōu)化材料的制備工藝，提高超導(dǎo)性能；深入研究奇異金屬和層間耦合行為與超導(dǎo)機制的關(guān)系；與其他科研團(tuán)隊合作，共同攻克高溫超導(dǎo)的難題。



這一發(fā)現(xiàn)是超導(dǎo)研究領(lǐng)域的一個重要里程碑，但前方仍有許多未知等待著探索。然而，正是這種對未知的探索精神，推動著科學(xué)不斷向前發(fā)展。相信在趙俊教授團(tuán)隊以及全球科學(xué)界的共同努力下，高溫超導(dǎo)的神秘面紗將逐漸被揭開，為人類帶來更多的科技進(jìn)步和福祉。



總之，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的新型高溫超導(dǎo)體，不僅是他們團(tuán)隊的驕傲，也是中國科學(xué)界的一項重大成果。它為超導(dǎo)領(lǐng)域注入了新的活力，激發(fā)了更多科學(xué)家投身于這一充滿挑戰(zhàn)和機遇的研究領(lǐng)域。我們期待著未來更多的突破和創(chuàng)新，見證超導(dǎo)技術(shù)為人類社會帶來的深刻變革。

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來源：賢集網(wǎng)
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