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值得思考的是:化合物显示出高温超导性的潜力

科技 2019-06-26 15:53:30

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的一组研究人员发现,氧化镍化合物是一种非常规但有前景的高温超导候选材料。

该团队成功合成了金属三层镍酸盐化合物的单晶,这是研究人员认为的第一个壮举。

这种氧化镍化合物不具有超导性,阿贡本杰出研究员兼实验室材料科学部副主任约翰米切尔说,他领导了该项目,该项目结合了晶体生长,X射线光谱学和计算理论。但是,他补充说,“它以其他镍氧化物中没有的方式进入超导体系。我们非常希望我们现在要做的就是找到合适的电子浓度。“

米切尔和七位合着者在本周的“ 自然物理学 ” 杂志上发表了他们的研究成果。

超导材料在技术上是重要的,因为电流在没有阻力的情况下流过它们。高温超导体可以产生速度更快,效率更高的电子设备,可以在没有能量损失的情况下传输功率的网格和可以使用无摩擦磁铁代替轨道的超快悬浮列车。

在1986年之前,只有低温超导才可能出现,但是在低温下超导的材料是不切实际的,因为它们必须先冷却到零下几百度。然而,在1986年,铜氧化物中称为铜酸盐的高温超导性的发现为这种现象带来了新的技术潜力。

但经过三十年的研究后,铜酸盐超导性的确切工作仍然是该领域的一个决定性问题。解决该问题的一种方法是研究具有与铜酸盐类似的晶体,磁性和电子结构的化合物。

镍基氧化物 - 镍酸盐 - 长期以来被认为是潜在的铜酸盐类似物,因为该元素紧邻周期表中的铜。到目前为止,米切尔指出,“这是一个不成功的任务。”正如他和他的合着者在他们的自然物理学论文中所指出的那样,“这些类似物中没有一个是超导的,很少甚至是金属的。”

Argonne团队创造的镍酸盐是一种准二维三层化合物,这意味着它由三层氧化镍组成,这些氧化镍被氧化镨的间隔层隔开。

“因此,它看起来更像是二维的,而不是三维的,结构上和电子的,”米切尔说。

该镍酸盐和含有镧而不是镨的化合物都具有准二维三层结构。但镧类似物是非金属的并采用所谓的“电荷 - 条纹”相,这是一种电子特性,使材料成为绝缘体,与超导体相反。

“由于一些尚未知的原因,镨系统不会形成这些条纹,”米切尔说。“它仍然是金属的,因此更有可能成为超导的候选者。”

Argonne是世界上少数几个可以制造化合物的实验室之一。材料科学部的高压光学图像浮区熔炉具有特殊功能。它可以达到150个大气压(相当于海洋深度近5,000英尺处的破碎压力)和大约2000摄氏度(超过3,600华氏度)的温度,这是生长晶体所需的条件。

“我们不确定我们是否可以制作这些材料,”该研究的第一作者,Argonne博士后研究员张俊杰说。但事实上,他们设法生长出几毫米直径(一小部分英寸)的晶体。

研究小组通过

在高级光子源(DOE科学用户设施办公室)进行X射线吸收光谱测量,并通过进行密度泛函理论计算,验证了镍酸盐的电子结构类似于铜酸盐材料的电子结构。材料科学家使用密度泛函理论来研究凝聚态物质系统的电子特性。

“我整个职业生涯都没有制造高温超导体,”米切尔开玩笑说。但这可能会在他的团队研究的下一阶段发生变化:尝试使用称为电子掺杂的化学过程在其镍酸盐材料中诱导超导性,其中杂质被故意添加到材料中以影响其性质。

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