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鈀材料將代替鎳引領超導研究的新時代

文章來源：賢集網更新時間：2023-04-27 15:45:25

對確定創造超導體的最佳方法的尋找，在現代物理學領域，一直是一個令人振奮的追求，以便在高溫和環境壓力下保持其超導性。近來，鎳酸鹽的出現為這一探索注入了活力，開啟了超導的新時代。

“目前只有在極低溫度或超高壓力下才能觀察到超導性，這意味著實驗中使用的超導材料無法投入到長期、常規的應用中，比如無損電力傳輸、超導磁懸浮高速列車和平價醫療影像設備。”南開大學電子信息與通信系副教授季魯說。

從1911年荷蘭科學家卡莫林發現超導現象以來，人類在探索超導材料的路上一直沒有停下腳步。100多年來，在試圖解釋超導機理的同時，科學家一直在想辦法提升超導材料的臨界溫度。

這些超導體的基礎在于鎳，促使許多科學家將這一時期的超導研究稱為"鎳時代"。在許多方面，鎳酸鹽與銅酸鹽相似，后者是在20世紀80年代的時候發現的，以銅為基礎。

銅基（銅酸鹽）超導體長期以來一直保持著環境壓力下最高超導臨界溫度 ( Tc )的記錄。2019年，經過數十年的理論和實驗努力，研究人員報告了一種鎳基（鎳酸鹽）模擬銅酸鹽超導體。從那時起，其他人就試圖找出在這種單軌道主導系統中控制超導性的因素。

科學家建議用用鈀代替鎳

日本兵庫大學的Motoharu Kitatani和他的同事現在確定了其中的一些因素，并建議用鈀代替鎳可以提供一種材料，其超導溫度甚至高于銅酸鹽超導體。該研究可能有助于指導對新型超導材料的持續研究，并使“鈀”成為市場上的新生事物。

Kitatani和他的同事此前曾使用一種稱為單波段Hubbard模型的標準凝聚態物理模型來預測鎳化物的Tc，并使用無缺陷鎳化物薄膜中的測量結果驗證了他們的預測。現在，通過模擬這個系統，同時改變電子的相互作用強度、填充因子和能量動量色散，研究人員追蹤了導致超導性出現的電子-電子配對的強度。這使他們能夠確定優化Tc的電子配置。

然而，根據他們的結果，無論是鎳化物還是銅化物都無法接近這些優化的條件。相反，研究人員發現，由于相互作用較弱，因此相關性較弱，Paladates可以更接近使Tc最大化的最佳“Goldilocks”條件。

科學家發現了"Goldilocks區"，在這個區里，超導性工作得特別好。而這個區域既不是用鎳也不是用銅，而是用鈀來達到。這可能為超導研究帶來一個新的"鈀金時代"。這些結果現在已經發表在科學雜志《物理評論快報》上。

尋找更高的過渡溫度

在高溫下，超導體的行為與其他導電材料非常相似。但是當它們被冷卻到某個"臨界溫度"以下時，它們就會發生巨大的變化：它們的電阻完全消失，突然間它們可以毫無損失地導電。材料在超導和正常導電狀態之間變化的這一極限，被稱為"臨界溫度"。

"我們現在已經能夠計算出整個系列材料的這個"臨界溫度"。通過我們在高性能計算機上的建模，我們能夠高度準確地預測鎳酸鹽超導的相圖，正如后來的實驗所顯示的那樣，"來自維也納大學固體物理研究所的Karsten Held教授說。

許多材料只有在絕對零度以上（-273.15°C）才會成為超導體，而其他材料即使在更高的溫度下也能保持其超導特性。一種在正常室溫和正常大氣壓力下仍然保持超導性的超導體將從根本上改變我們產生、運輸和使用電力的方式。然而，這樣一種材料還沒有被發現。

盡管如此，高溫超導體，包括那些杯狀物類的超導體，在技術方面發揮著重要作用--例如，在傳輸大電流或產生極強的磁場方面。

銅？鎳？還是鈀？

尋找最佳的超導材料是很困難的：有許多不同的化學元素會出現問題。可以把它們放在不同的結構中，可以添加其他元素的微小痕跡來優化超導性。Karsten Held教授說："為了找到合適的候選材料，你必須在量子物理學層面上了解電子在材料中如何相互作用。"

這表明，電子的相互作用強度有一個最佳值。相互作用必須是強的，但也不能太強。在這兩者之間有一個"黃金地帶"，使其有可能達到最高的過渡溫度。

鈀酸鹽是最佳解決方案

這個中等相互作用的黃金區域既不能用銅酸鹽也不能用鎳酸鹽來達到--但人們可以用一種新型的材料來擊中靶心：所謂的鈀酸鹽。"鈀在周期表中直接比鎳低一行。屬性相似，但那里的電子平均離原子核和彼此更遠一些，所以電子相互作用更弱，"卡斯滕-海德說。

該模型計算顯示了如何實現鈀數據的最佳過渡溫度。"計算結果是非常有希望的，"卡斯滕-赫爾德說。"我們希望，我們現在可以利用它們來啟動實驗研究。如果我們有一個全新的、額外的鈀類材料可用來更好地理解超導性，并創造出更好的超導體，這可能會使整個研究領域向前發展。"

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