突破极限 中国高温超导研究领跑世界


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在过去的国庆黄金周中,中国科学技术大学的超导研究团队除了观看国庆70周年外,每天仍在实验室工作。

“下一个可以用来划分时代的材料可能是室温超导体。”在中国科学技术大学教授吴涛的眼中,他们从事的超导研究充满了魅力。 “如果找到室温超导体,我们可以去悬挂的超导汽车,甚至手机和笔记本电脑都可以使用几个月。”正是带着这样的梦想,中国科学技术大学超导研究团队已经在这一领域开展了20多年。

打破超导研究的禁区

超导性是指当温度降至某个临界温度以下或低于超导转变温度时,某些材料突然消失的现象。在超导研究的历史上,有10个人获得了5项诺贝尔奖,其科学重要性是不言而喻的。

1911年,荷兰科学家在极低的温度下发现了汞的超导性,开辟了新的科学研究领域。 1986年,德国科学家和瑞士科学家发现了临界转变温度为35K的氧化铜超导体。

困扰科学家的是,超导体的转变温度不能超过40K(约233摄氏度),这也被称为麦克米兰极限温度。

是否可以打破40K极限温度?两名欧洲科学家发现以铜为主要超导元素的氧化铜超导体后不久,包括中国科学家在内的研究人员将氧化铜超导体的临界转变温度提高到液氮温度范围以上,从而突破了麦克米兰。极端温度使其成为高温超导体。

氧化铜高温超导体家族有两个主要缺陷。作为金属陶瓷材料,加工工艺严格,综合成本高,影响广泛。另外,铜基超导体不能解决高温超导性丰富的物理问题。内涵。”吴涛告诉科技日报记者,为揭示被广泛使用的高温超导原理,必须找到具有更高临界温度的超导体。

由于其磁性,铁基化合物一度几乎被国际物理学界认可为探索高温超导体的禁区。

2008年3月,中国科学技术大学陈宪辉研究组和中国科学院物理研究所王南林研究组观察了铁中43K和41K的超导转变温度。打破麦克米兰的极限,证明铁基超导体是高温超导体。然后,中国科学家团队不仅率先将温度突破了50K,还发现了一系列高于50K的超导体,还创造了55K的铁基超导体转变温度记录,被国际物理学界认可为第二高温超导族。

搜索具有更高转变温度的超导材料

突破麦克米伦(McMillan)的极限后,世界各地的科学家再次对超导材料的探索感到困惑,并且越来越难以在高影响力的期刊上发表高温超导论文。

中国科学技术大学的超导团队一直坚持这一立场,准备,观察,放弃并重新启动了无数次……为了抛弃超导研究的迷雾,他们提出了“新的二维分层非常规超级导材料”这一新的研究方向。

吴韬告诉记者,由于氧化铜和铁基超导体都是层状的,因此具有超导性的关键结构单元分别是CuO2表面和FeAs/Se层,被称为“超导基元”,目前已得到证实。大多数非常规超导体表现出这种结构特征。

这些材料在超导机理上与传统的超导体不同。传统的超导体的机理主要基于声子相互作用的BCS理论,二维分层非常规超导材料的超导机理一般是吴涛认为,对氧化铜超导体和铁基超导体的微观机理的理解将极大地促进凝聚态物理的新发展;同时,一旦发现它是更适合应用或具有更多高临界温度的超导体可能像集成电路一样成为世界经济和社会发展的新增长点。

目前,相对公认的超导研究有两个核心点:第一是一种新型的(高转变温度)非常规超导材料,第二是高温超导的机理(和非常规超导)。

“基于二维结构元素与超导性之间的普遍相关性,我们基于阻挡层和异质结设计的研究思想构建了二维分层超导单元,以探索非常规的超导电性。”吴涛告诉记者。作为一项国家特殊项目,在实施两年多的时间内,已经通过电化学插层法成功合成了两种新型的铁-硒基高温超导材料,并发现了这些新的超发现。类似于铜基高温超导体的超导预配对现象,而且还发现二维结构对铁硒基超导体中高温超导的形成有重要影响“这些新发现将为企业建立关键的实验证据。吴涛说,在新的研究方向上,发现具有超高临界场和临界电流密度的新应用可能会有所帮助。类型超导体。

探索更合适的超导体

事实上,超导已经开始进入我们的生活。例如,高温超导滤波器已经应用于移动电话和卫星通信,并且通信质量得到了显着改善。在医疗设备中使用超导量子干扰设备(SQUID)极大地提高了人类心脏和大脑检测的准确性。和灵敏度;世界上第一个超导示范变电站也已在中国电网投入使用。

在吴韬看来,他们的研究可能在超导量子计算领域具有推动作用,这是该国的重要发展。 “有可能应用于新的低能耗,自校正拓扑量子计算领域。”吴涛说。

目前,超导体尚未达到所需的广泛应用。主要原因是仍然要解决两个重要问题:一是超导应用的经济性;二是超导应用的经济性。另一个是在常温常压下仍未检测到超导材料。

“因此,突破现有超导材料的转变温度的局限性,发现具有更高转变温度的新超导体具有重大的科学意义。”吴韬对中国超导研究的未来充满希望,“超导研究已经扎根中国,我们希望通过努力,在二维非常规超导体新材料的探索和机理研究上取得重大突破,并继续在高温超导材料的探索和相关研究中保持国际领先地位。”

(编辑器:DF520)