点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:材料基因解密高温超导机理
首页> 科普频道> 科普头条 > 正文

材料基因解密高温超导机理

来源:中国科学报2022-02-25 09:27

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  ■记者 韩扬眉

  1986年,德国科学家贝特诺茨和美国科学家缪勒发现,铜氧化物陶瓷材料在较高温度下出现了超导现象。这被认为是科学发展的重大突破,他们也因此获得1987年的诺贝尔物理学奖。

  “高温超导”为什么会出现,背后的机理是什么?近30余年,世界各地的科学家都在努力寻找答案,超导性的确切机制仍然难以破解。

  中国科学院物理研究所(以下简称物理所)研究员金魁团队与合作者组成的国际团队历时7年进行系统实验,利用材料基因工程“连续组分外延薄膜与匹配的跨尺度表征技术”获得了奇异金属散射(线性电阻斜率A1)与高温超导转变温度(Tc)之间的普适物理规律(A10.5~Tc)。相关成果近日发表于《自然》。

  从“奇异金属”中寻找答案

  超导自诞生至今已有110年的研究历史。早期的超导研究集中在传统金属及合金,其超导转变温度通常较低(<30K)。在超导转变温度之上,超导体处于正常态,跟普通金属性质相似。超导转变温度即“临界温度”,物质在进入超导状态的温度时,电阻率为0,具有完全抗磁性。

  1957年,科学家构建了以声子为媒介的电子配对(库伯对)图像,首次建立了超导微观理论,成功解释了传统金属及合金中的超导电性。

  1986年,科学家发现铜氧化物超导家族高温超导现象。随后,科学家不断在“更高温”的状态下发现超导现象,其超导转变温度在常压下最高达到了135K,且已有的实验结果证实高温超导体中同样存在电子配对。

  “高温超导机理经过30多年研究仍未达成共识,成为凝聚态物理研究中的跨世纪难题。究其原因,高温超导体系的复杂性使得研究者对决定其转变温度的重要物理量实验认识仍然不足,尚不能启发理论突破。”论文通讯作者金魁告诉《中国科学报》。

  随着研究不断深入,越来越多的证据表明,高温超导机理的奥秘可能存在于产生超导的正常态当中。

  金魁解释说,对铜氧化物超导体来说,当温度升至超导转变温度以上,其电阻率与温度呈线性关系,这也被称为“奇异金属”行为,是高温超导体正常态中最“不正常”的特性。而“奇异金属”行为的机理起源同样未知,已有实验结果表明,奇异金属与高温超导相辅相成。

  “这表明高温超导和奇异金属这两个看似无关的物理效应密切相关,这为我们解开高温超导机制的谜团提供了一条重要线索。”论文作者之一、中国科学院院士、物理所研究员向涛说。

  从“量变”到“质变”

  要找到量化联系,先得找到二者之间的“定性”关联。

  2008年,金魁前往美国马里兰大学作博士后。他遇到了两位导师,分别是材料工程和高温超导研究的国际顶尖学者。他将材料工程和高温超导研究融合,希望能从一类关键高温超导体系La2-xCexCuO4(LCCO)中找到答案。LCCO是唯一覆盖全超导掺杂区的电子型高温超导体系,但只能以单晶薄膜的形式稳定存在。

  经过3年努力,2011年,金魁获得了系列高质量单组分LCCO超导单晶薄膜,并与合作者首次获得完整的电子掺杂铜氧化物过掺杂区域相图。这一成果在《自然》上发表。

  这张“相图”帮助金魁发现了奇异金属散射率A1与超导转变温度Tc的关系是“正相关”,这暗示着奇异金属态与高温超导存在某种内在联系。然而,受组分控制精度需要达到约百分之一的限制,使用传统的单点研究模式难以得到足够数量的高精度数据,难以获取二者之间的定量化规律。

  2012年是金魁做博士后的最后一年,他想回国后继续发展新一代高效率材料基因技术,并融入高温超导之中,以此研究定量化规律。他把这个想法告知导师们,导师们摇摇头,觉得“非常难”。

  然而,回到物理所超导国家重点实验室的金魁还是决定“拼一把”。他带领团队针对高温超导材料特点,发展了高通量制备与跨尺度快速表征技术。2017年,他们首次利用组合激光分子束外延技术,在1平方厘米单晶衬底上成功制备出具有连续化学组分梯度的单一取向LCCO高通量薄膜。

  在此基础上,团队结合研发的从毫米到微米的跨尺度结构和输运表征技术,将物性分辨率提升两个数量级(至万分之一),从而精确确定了量子临界组分xc。通过国际合作,他们在美国劳伦斯·伯克利国家实验室同步辐射光源完成微米量级的 X 射线结构分析。

  传统实验方法花3年时间只有个别数据点。而基于新一代全流程高通量实验,团队成功在数月时间积累足够数量的可靠数据,并首次观察到了超导转变温度Tc、相对掺杂组分(x-xc)与奇异金属散射率 A1三者之间的定量化规律 Tc ~ (x-xc)0.5~ A10.5。

  论文共同通讯作者、美国马里兰大学教授Ichiro Takeuchi说:“我们能够证明,人们可以控制并连续跟踪化合物的组成,而这种材料中成分的高精度控制从未被证明过。”

  材料基因技术在高温超导研究中究竟有怎样的优势?金魁表示,材料的高通量制备与表征技术,可以在相图空间实现参量的线扫描甚至面扫描,可快速建立可靠的高温超导高维相图和高温超导关键参量数据库,并从中提取重要的统计物理规律,实现从“量变”到“质变”的突破。

  开辟研究范式

  更重要的是,从LCCO中获得的Tc ~ A10.5规律可推广至空穴型铜氧化物、铁基超导体、有机超导体等非常规超导体系,具有普适性。这也表明了奇异金属态与非常规超导态有共同的驱动因素。

  金魁表示,推进材料基因计划与超导研究的深度交叉融合,开创了独具特色的高通量超导研究范式,将在构建高维精确相图、突破高温超导机理、推进超导材料实用化等方面发挥不可替代的作用。

  两名国际审稿人高度评价该研究,“连续组分外延薄膜与匹配的跨尺度表征技术”加速高温超导定量化物理规律探索的新型研究范式是“tour de force”(绝技)。

  研究也得到了理论的解释和支持。理论物理学家、物理所研究员胡江平是论文共同通讯作者。他表示,“发现的标度关系将超导配对强度与载流子的扩散过程联系起来,这是所有理论推理或模型中的一个特殊目标,即使我们还不清楚是否可以从之前提出的理论模型和配对机制(如反铁磁自旋涨落)中获得这种关系。”

  “在铜氧化物超导体发现30多年后,仍然缺乏确切证据来解释其背后的机制。精确的定量标度规律值得特别关注。”论文作者之一、中国科学院院士赵忠贤说。

  铜氧化物超导体中还有很多谜团。研究团队将继续使用组合方法进行系统追踪,探索产生高温超导电性的其他关键因素。

[ 责编:武玥彤 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 中国羽毛球大师赛:冯彦哲/黄东萍夺得混双冠军

  • 2026厦门科创产业与证券业发展大会举行

独家策划

推荐阅读
从丝绸、茶叶、瓷器、中药,到酿造、工艺美术、文房四宝,这些文化底蕴深厚的中华传统特色产业均属于历史经典产业。
2026-09-07 17:14
延续已久的“手工科研”模式正在被一种全新的力量改写。
2026-09-07 16:44
一根通体透明的“玻璃棒”——看着像玻璃,其实它叫光纤预制棒,是生产光纤的核心原材料。2011年,我们开启了基于VAD(轴向气相沉积法)/OVD(棒外化学气相沉积法)工艺的大尺寸光纤预制棒自主研发的漫长征途。
2026-09-07 09:40
脑机接口是在大脑与外部设备之间建立直接信息通路的技术系统。“‘北脑一号’的初始版本采用128通道无线全植入柔性电极,电极贴附在硬脑膜外,兼顾安全性和有效性。”罗敏敏说,在可预见的未来,脑机接口有望实现从人脑与人工智能、机器人深度协同,拓展到健康人群的认知、感知增强等。
2026-09-07 09:38
距今约5000至4000年,大麦、小麦、牛与羊等驯化动植物在亚欧大陆的东西两端双向流动,构建起史前时期一幅跨大陆农牧业交流图景。“这表明,麦作农业和技术自新月沃地传入甘肃,可能并不直接伴随着来自西方的大规模人群流入。
2026-09-07 09:29
火红的钢坯从连铸机中源源不断送出,切割枪落下,每一段坯料的目标误差控制在0.2%以内,不超过一根头发丝的直径。从人工经验到数据驱动,从单点突破到全流程协同,从单一学科到交叉融合,安徽工业大学正在为钢铁行业装上“智慧大脑”。
2026-09-07 09:25
2016年,我到法国留学攻读应用科学与技术博士学位。回国后我进入人形机器人领域,发现品牌思维已深入人心。
2026-09-07 09:24
草案不仅从法律上承认自动驾驶的合法身份,解决了“它是什么”的问题,还为其设立行为规范,发放“法律身份证”。
2026-09-04 09:17
开学后,一些孩子坐进教室才发现,黑板上的字看不清了,验光后发现近视。有些家长听说OK镜可以“晚上戴、白天摘”,还有助于延缓近视进展,准备给孩子配一副。孩子能不能佩戴OK镜?需要注意什么?
2026-09-04 09:32
据《自然》近日报道,根据9月1日联合国环境规划署(UNEP)发布的一份报告,按照当前的排放趋势,本世纪全球气温将较工业化前水平上升约1.8℃,这已是预期的最好结果。
2026-09-04 09:26
人类对寻找地外生命的执着,不仅是要证明人类并非宇宙“孤儿”,更重要的是,这可能带来能源、医学等领域的颠覆性突破。
2026-09-04 09:16
大地测量是国家安全的“隐形防线”,是航空航天和深空探测的“眼睛”,是国家基础设施建设的“尺子”和“秤”。
2026-09-04 09:17
全面了解我国管辖海域基础地质与海底构造特征,服务自然资源管理和国土空间规划“一张图”建设
2026-09-03 11:41
为更好地推动我国流感疫苗的预防接种,中国疾病预防控制中心近日发布《中国流感疫苗预防接种技术指南(2026—2027)》。
2026-09-03 11:39
高温超导带材有了更便宜、更结实的“骨架”。记者2日从中国科学院理化技术研究所获悉,该所科研团队成功研制出高温超导带材新型“骨架”——铁基合金基带(DW01)。用该基带制备的超导带材关键性能指标显著优于传统哈氏合金基带产品,标志着我国在实现高温超导带材核心材料自主可控上迈出重要一步。
2026-09-03 10:38
每天,我们的大脑都要承受成千上万条信息的狂轰滥炸。如果把这些经历和信息全盘照收,大脑很快就会像塞满垃圾文件的电脑一样“死机”。那么,大脑是如何在信息的海洋中去粗取精,只把最重要的事情存进长期记忆的硬盘呢?
2026-09-03 10:38
9月,昴星团伴月、月掩金星、中秋月、海王星冲日等天象将轮番登场。其中备受大家关注的中秋月,既不是“十五圆”,也不是“十六圆”,而是较罕见的“十七圆”。
2026-09-03 10:38
记者13日从国家管网集团获悉,国内首次成品油长输管道顺序输送甲醇现场试验在陕西省咸阳市顺利完成。这标志着我国成品油管道顺序输送甲醇技术实现从理论探索到工程验证的关键跨越,为跨区域绿色甲醇安全、高效输送提供了完整技术方案与实践示范。
2026-09-03 10:38
张国捷介绍,壁虎是研究性染色体演化得天独厚的类群。为此,研究团队选取了22种壁虎开展基因组学分析,其中20个物种的性别决定机制明确,包含3种环境依赖型、6种XY基因型、11种ZW基因型,另有两个外群物种作为对照。研究还发现,上述17个由基因型性别决定的壁虎物种拥有20条性染色体,这些染色体分别起源于17条不同的祖先染色体。
2026-09-03 10:28
开学第一天,浙江省温州市广场路小学“我的暑期科学发现”发布会现场,孩子们正轮流上场展示自己的暑期探究成果。
2026-09-02 12:09
加载更多