【引言】

       1986年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)材料，隨后包括中國科學(xué)家在內(nèi)的多國科學(xué)家將其超導(dǎo)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(dǎo)材料在信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)儀器、電力、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用。但經(jīng)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(dǎo)體，且其超導(dǎo)機理仍未知。

       全球科學(xué)家一直致力于尋找非常規(guī)超導(dǎo)材料并解決高溫超導(dǎo)機理。北京時間2023年7月12日，《自然》雜志刊登了中山大學(xué)王猛教授團隊主導(dǎo)的科學(xué)成果：發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體- La₃Ni₂O₇。這是中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)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(dǎo)材料，是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的突破，將有望推動破解高溫超導(dǎo)機理，使設(shè)計和預(yù)測高溫超導(dǎo)材料成為可能，實現(xiàn)更廣泛更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

【成果簡介】

       尋找鎳基超導(dǎo)體的思路，正是銅氧化物高溫超導(dǎo)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(dǎo)電性，如La₂NiO₄、La₃Ni₂O₇、La₄Ni₃O₁₀等結(jié)構(gòu)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(xué)浮區(qū)爐生長出高質(zhì)量La₃Ni₂O₇單晶樣品。

王猛教授團隊學(xué)生在操作光學(xué)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(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)并伴隨著一個結(jié)構(gòu)相變，形成了類似銅氧化物中八面體的結(jié)構(gòu)。王猛教授團隊隨后觀測到了78–80 K的電阻onset轉(zhuǎn)變溫度，77 K的磁化率下降溫度，以及對應(yīng)的磁場抑制超導(dǎo)轉(zhuǎn)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(nèi)的關(guān)聯(lián)電子態(tài)，從而實現(xiàn)了非常規(guī)超導(dǎo)電性。

La₃Ni₂O₇單晶樣品高壓下的電阻、抗磁性及超導(dǎo)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(xué)浮區(qū)爐相關(guān)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(xué)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(dǎo)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(xué)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(lǐng)域的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。

ScIDre單晶爐技術(shù)特色：

? 采用垂直式光路設(shè)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(shù)，加熱功率從0-100% 連續(xù)可調(diào)

? 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(xué)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(xué)性質(zhì)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(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和形貌，甚鐵電和介電等各種物性測量的設(shè)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(jīng)經(jīng)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(xué)研究實驗室，助力了無數(shù)個重大科學(xué)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

相關(guān)產(chǎn)品：
HKZ-SciDre 高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐

DYNACOOL-*無液氦綜合物性測量系統(tǒng)