【引言】

       1986年，科學家發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導材料，隨后包括中國科學家在內的多國科學家將其超導溫度提升到了液氮溫區(qū)（77開爾文，即零下196攝氏度）。液氮的廉價和易得，推動了銅氧化物高溫超導材料在信息技術、生物醫(yī)學、科學儀器、電力、交通運輸?shù)阮I域的應用。但經過近40年的研究，銅氧化物仍然是僅有的可以進入液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導體，且其超導機理仍未知。

       全球科學家一直致力于尋找非常規(guī)超導材料并解決高溫超導機理。北京時間2023年7月12日，《自然》雜志刊登了中山大學王猛教授團隊主導的科學成果：發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導體- La₃Ni₂O₇。這是中國科學家發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導體系，是人類目前發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導材料，是基礎研究領域“從0到1"的突破，將有望推動破解高溫超導機理，使設計和預測高溫超導材料成為可能，實現(xiàn)更廣泛更大規(guī)模的產業(yè)化應用。

【成果簡介】

       尋找鎳基超導體的思路，正是銅氧化物高溫超導多年研究帶來的啟示。人們寄希望于高壓下的鎳氧化物材料來尋找非常規(guī)超導電性，如La₂NiO₄、La₃Ni₂O₇、La₄Ni₃O₁₀等結構體系。其中La₃Ni₂O₇生長條件極為苛刻，平均價態(tài)為2.5價，偏離Ni的穩(wěn)定價態(tài)正2價，氧壓范圍窄，王猛教授團隊花了兩年多的時間，摸索出生長條件，采用ScIDre公司的HKZ高溫高壓光學浮區(qū)爐生長出高質量La₃Ni₂O₇單晶樣品。

王猛教授團隊學生在操作光學浮區(qū)爐

       王猛教授團隊對所生長的La₃Ni₂O₇單晶樣品開展實驗研究，發(fā)現(xiàn)La₃Ni₂O₇材料在常壓低溫下為絕緣體，隨著壓力的增加，逐漸轉變?yōu)榻饘賾B(tài)并伴隨著一個結構相變，形成了類似銅氧化物中八面體的結構。王猛教授團隊隨后觀測到了78–80 K的電阻onset轉變溫度，77 K的磁化率下降溫度，以及對應的磁場抑制超導轉變現(xiàn)象和正常態(tài)的線性電阻行為。理論分析說明，Ni離子的+2.5價發(fā)揮了特殊的作用，它的兩個不同d軌道分別影響c方向和ab面內的關聯(lián)電子態(tài)，從而實現(xiàn)了非常規(guī)超導電性。

La₃Ni₂O₇單晶樣品高壓下的電阻、抗磁性及超導上臨界磁場擬合

       本工作中La₃Ni₂O₇單晶樣品生長所用的HKZ高溫高壓光學浮區(qū)爐相關參數(shù)為：5 kW功率的氙燈、15 bar氧氣氛圍。

部分La/Pr-Ni-O體系晶體生長條件：

       德國ScIDre公司推出的高溫高壓光學浮區(qū)法單晶爐能夠提供高達3000℃的生長溫度，晶體生長腔壓力可達300 bar，甚至10^-5 mbar的高真空。適用于生長各種超導材料單晶，介電和磁性材料單晶，氧化物及金屬間化合物單晶等。Quantum Design將ScIDre公司先進的高溫高壓光學浮區(qū)法單晶爐、高壓氧氣氛退火爐引進中國，更好的為中國晶體生長領域的發(fā)展提供設備支持和技術服務。

ScIDre單晶爐技術特色：

? 采用垂直式光路設計

? 采用高照度短弧氙燈，多種功率規(guī)格可選

? 熔區(qū)溫度：高達3000℃

? 熔區(qū)壓力：10bar/ 50bar/ 100bar/ 150bar/ 300bar等多種規(guī)格可選

? 氧氣/氬氣/氮氣/空氣/混合氣等多種氣路可選

? 采用光柵控制技術，加熱功率從0-100% 連續(xù)可調

? 樣品腔可實現(xiàn)至低10^-5 mbar真空環(huán)境

? 豐富的可升級選件

HKZ高溫高壓光學浮區(qū)爐

HKZ垂直式光示意圖

      此外，在這項工作中，王猛教授團隊對La₃Ni₂O₇單晶材料的電學性質測量采用的是美國Quantum Design公司的綜合物性測量系統(tǒng)PPMS。PPMS是一款集成全自動的磁學、電學、熱學和形貌，甚鐵電和介電等各種物性測量的設備。該系統(tǒng)自1994年由Quantum Design在美國圣地亞哥發(fā)布以來，從最初的灌液氦系統(tǒng)到現(xiàn)在的無液氦系統(tǒng)型號PPMS DynaCool，已經經歷了接近30年的歷史，在全球銷售安裝了1500余套，在中國地區(qū)也有近300套，幾乎遍布于任何低溫強磁場下物性表征的科學研究實驗室，助力了無數(shù)個重大科學發(fā)現(xiàn)。

無液氦綜合物性測量系統(tǒng)外觀圖

文獻來源：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06408-7

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DYNACOOL-*無液氦綜合物性測量系統(tǒng)