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“明星”超導(dǎo)材料新性質(zhì)出現(xiàn)，給未來研究提供新方向
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-05-17 16:16:23
竹編，是中國歷史悠久的非遺手工藝技術(shù)之一。在南方竹鄉(xiāng)，農(nóng)閑時(shí)節(jié)，老人們?nèi)宄扇簢谠鹤永铮贿吜奶欤贿吺阜w，把薄薄的竹片編織成竹籃、竹匾等各種器物，其中由正六邊形和三角形交替組成的六角眼，正是最常見的紋樣，它有一個(gè)別稱：籠目。



然而你能想象嗎？這種最常見的竹編紋樣“籠目”，居然與近年來炙手可熱的超導(dǎo)新材料有關(guān)。



籠目超導(dǎo)體是一種新型超導(dǎo)材料，由于其特殊的幾何結(jié)構(gòu)以及非局域的電子關(guān)聯(lián)作用，已展現(xiàn)出諸多奇異的物理性質(zhì)，被認(rèn)為是一種具有重要科學(xué)研究價(jià)值的新型量子材料。



“高壓”引發(fā)“競爭”



早在2022年11月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝院士團(tuán)隊(duì)吳濤教授等人就在學(xué)術(shù)期刊《自然》刊發(fā)表了關(guān)于籠目超導(dǎo)體的研究成果，他們利用高壓下的核磁共振譜學(xué)技術(shù)，在籠目超導(dǎo)體銫釩銻中觀察到一種由壓力誘導(dǎo)的新型電荷有序態(tài)，并發(fā)現(xiàn)該電荷有序態(tài)與超導(dǎo)態(tài)在壓力下呈現(xiàn)出一種類似高溫超導(dǎo)體的競爭相圖。



在前期研究中，中國科大研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在壓力下，籠目超導(dǎo)體中超導(dǎo)態(tài)與電荷密度波態(tài)存在反常的競爭行為，表明可能存在尚未被發(fā)現(xiàn)的競爭電子序。而探索超導(dǎo)態(tài)與競爭電子態(tài)之間復(fù)雜的演生現(xiàn)象及其物理機(jī)制是當(dāng)前超導(dǎo)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一。



在前期工作基礎(chǔ)上，吳濤等人開展了壓力下籠目超導(dǎo)體銫釩銻的核磁共振研究，結(jié)果表明：當(dāng)靜水壓高于約合0.6萬個(gè)大氣壓時(shí)，體系的超導(dǎo)電性被劇烈地壓制，與此同時(shí)演生出一種新的電荷密度波態(tài)，類似于此前在高溫銅氧化物超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)的一種競爭電子序——電荷條紋序。當(dāng)進(jìn)一步增加壓力至約合2萬個(gè)大氣壓以上時(shí)，新的電荷密度波態(tài)被完全壓制，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也同時(shí)提升至最高值。這些結(jié)果表明新的電荷有序態(tài)與超導(dǎo)態(tài)存在強(qiáng)烈的競爭，是一種新的競爭電子序。此外，研究團(tuán)隊(duì)還觀察到籠目超導(dǎo)體中電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致的電荷漲落現(xiàn)象以及壓力下可能的非常規(guī)超導(dǎo)電性。



上述實(shí)驗(yàn)揭示了籠目超導(dǎo)體中新奇的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及豐富的演生現(xiàn)象，為理解超導(dǎo)態(tài)與競爭電子態(tài)之間復(fù)雜的相互作用機(jī)制提供了一個(gè)新的契機(jī)，也為在籠目超導(dǎo)體中探索新奇超導(dǎo)態(tài)提供了一個(gè)新的方向。



科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“明星”超導(dǎo)材料新性質(zhì)



今年5月15日，西湖大學(xué)特聘研究員林效團(tuán)隊(duì)與西湖大學(xué)講席教授吳從軍團(tuán)隊(duì)、北京理工大學(xué)準(zhǔn)聘教授王秩偉團(tuán)隊(duì)合作，在《自然》發(fā)表相關(guān)研究成果。該研究首次報(bào)道了單一超導(dǎo)器件、CsV3Sb5材料（銫釩銻，以下縮略為CVS）中存在的零磁場超導(dǎo)二極管效應(yīng)和磁通量子化形成的超導(dǎo)干涉圖案，揭示了CVS材料存在時(shí)間反演對稱性破缺、超導(dǎo)疇，以及可能的環(huán)路超流。



在超導(dǎo)體中，在滿足特定溫度、磁場的情況下，電流可以“無阻力”地流動(dòng)。這種“好用”的電流叫做超導(dǎo)電流，可以被用于高效率的電力傳輸、高靈敏的傳感及快速的邏輯器件。超導(dǎo)電流有可能被人類靈活操縱嗎？



林效實(shí)驗(yàn)室博士后樂天提出了一個(gè)“大膽”的猜想：CVS這種新型的超導(dǎo)材料，會(huì)不會(huì)具有在零磁場的條件下“天然”具備二極管“天賦”？團(tuán)隊(duì)最終確認(rèn)了實(shí)驗(yàn)觀測到的零磁場超導(dǎo)二極管效應(yīng)的真實(shí)性，從一定程度證明了CVS在超導(dǎo)態(tài)的時(shí)間反演對稱性破缺。



在實(shí)驗(yàn)中，他們意外觀看到了一場曼妙舞蹈——超導(dǎo)臨界電流隨磁場變化的周期性振蕩圖案。通過對CVS器件反復(fù)升降溫測量，他們發(fā)現(xiàn)零磁場超導(dǎo)二極管的極性以及超導(dǎo)干涉圖案會(huì)發(fā)生改變，從而充分證實(shí)了超導(dǎo)疇的設(shè)想。



吳從軍團(tuán)隊(duì)基于已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建了超導(dǎo)疇中形成超導(dǎo)環(huán)路的理論模型，給出的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性上符合，初步提供了理論的圖像。



換句話說，他們首次揭示了超導(dǎo)材料CVS此前從未被發(fā)現(xiàn)的一些特質(zhì)，為未來籠目超導(dǎo)材料和超導(dǎo)量子電子學(xué)的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和實(shí)驗(yàn)方向。



為什么超導(dǎo)研究正處于“黃金時(shí)代”？



在科技飛速發(fā)展的今天，新材料技術(shù)不斷突破，其中超導(dǎo)材料無疑是最令人矚目的科技成果之一。超導(dǎo)材料，顧名思義，是指在一定條件下，電阻為零的導(dǎo)電材料。這種材料具有非常高的導(dǎo)電性和抗磁性，能夠在低溫下實(shí)現(xiàn)零電阻，為人類提供了一種全新的電能傳輸和儲(chǔ)存方式。



超導(dǎo)材料的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，涵蓋了科技、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。在科技領(lǐng)域，超導(dǎo)材料可以用于高能物理實(shí)驗(yàn)、電磁學(xué)研究、衛(wèi)星通信等高科技領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超導(dǎo)材料可以用于核磁共振成像、醫(yī)用超導(dǎo)設(shè)備等醫(yī)療設(shè)施。在工業(yè)領(lǐng)域，超導(dǎo)材料可以用于大型電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備，提高能源利用效率。



超導(dǎo)材料制備和應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)



然而，超導(dǎo)材料的制備和應(yīng)用仍存在一些挑戰(zhàn)。首先，超導(dǎo)材料的價(jià)格昂貴，需要大量的資金投入。其次，超導(dǎo)材料需要低溫環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)零電阻，這需要特殊的冷卻設(shè)備，增加了應(yīng)用成本。此外，超導(dǎo)材料的穩(wěn)定性、可靠性等問題也需要進(jìn)一步研究和解決。



盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但超導(dǎo)材料的未來發(fā)展前景依然廣闊。隨著科技的不斷進(jìn)步，超導(dǎo)材料的成本將逐漸降低，體積將逐漸縮小，性能將逐漸提高。未來，超導(dǎo)材料可以應(yīng)用于高速列車、遠(yuǎn)距離輸電、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)能源的高效傳輸和利用。



綜上所述，超導(dǎo)材料是未來科技發(fā)展的重要方向，具有巨大的潛力和無限的可能性。雖然目前超導(dǎo)材料還存在一些問題和挑戰(zhàn)，但隨著科技的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷深入，相信超導(dǎo)材料將會(huì)在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類帶來更多的便利和進(jìn)步。

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