值得思考的是：化合物顯示出高溫超導(dǎo)性的潛力

能源部(DOE)阿貢實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員發(fā)現(xiàn)，氧化鎳化合物是一種非常規(guī)但有前景的高溫超導(dǎo)候選材料。

該團(tuán)隊(duì)成功合成了金屬三層鎳酸鹽化合物的單晶，這是研究人員認(rèn)為的第一個(gè)壯舉。

這種氧化鎳化合物不具有超導(dǎo)性，阿貢本杰出研究員兼實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部副主任約翰米切爾說，他領(lǐng)導(dǎo)了該項(xiàng)目，該項(xiàng)目結(jié)合了晶體生長，X射線光譜學(xué)和計(jì)算理論。但是，他補(bǔ)充說，“它以其他鎳氧化物中沒有的方式進(jìn)入超導(dǎo)體系。我們非常希望我們現(xiàn)在要做的就是找到合適的電子濃度。“

米切爾和七位合著者在本周的“ 自然物理學(xué) ” 雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

超導(dǎo)材料在技術(shù)上是重要的，因?yàn)殡娏髟跊]有阻力的情況下流過它們。高溫超導(dǎo)體可以產(chǎn)生速度更快，效率更高的電子設(shè)備，可以在沒有能量損失的情況下傳輸功率的網(wǎng)格和可以使用無摩擦磁鐵代替軌道的超快懸浮列車。

在1986年之前，只有低溫超導(dǎo)才可能出現(xiàn)，但是在低溫下超導(dǎo)的材料是不切實(shí)際的，因?yàn)樗鼈儽仨毾壤鋮s到零下幾百度。然而，在1986年，銅氧化物中稱為銅酸鹽的高溫超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)為這種現(xiàn)象帶來了新的技術(shù)潛力。

但經(jīng)過三十年的研究后，銅酸鹽超導(dǎo)性的確切工作仍然是該領(lǐng)域的一個(gè)決定性問題。解決該問題的一種方法是研究具有與銅酸鹽類似的晶體，磁性和電子結(jié)構(gòu)的化合物。

鎳基氧化物 - 鎳酸鹽 - 長期以來被認(rèn)為是潛在的銅酸鹽類似物，因?yàn)樵撛鼐o鄰周期表中的銅。到目前為止，米切爾指出，“這是一個(gè)不成功的任務(wù)。”正如他和他的合著者在他們的自然物理學(xué)論文中所指出的那樣，“這些類似物中沒有一個(gè)是超導(dǎo)的，很少甚至是金屬的。”

Argonne團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的鎳酸鹽是一種準(zhǔn)二維三層化合物，這意味著它由三層氧化鎳組成，這些氧化鎳被氧化鐠的間隔層隔開。

“因此，它看起來更像是二維的，而不是三維的，結(jié)構(gòu)上和電子的，”米切爾說。

該鎳酸鹽和含有鑭而不是鐠的化合物都具有準(zhǔn)二維三層結(jié)構(gòu)。但鑭類似物是非金屬的并采用所謂的“電荷 - 條紋”相，這是一種電子特性，使材料成為絕緣體，與超導(dǎo)體相反。

“由于一些尚未知的原因，鐠系統(tǒng)不會形成這些條紋，”米切爾說。“它仍然是金屬的，因此更有可能成為超導(dǎo)的候選者。”

Argonne是世界上少數(shù)幾個(gè)可以制造化合物的實(shí)驗(yàn)室之一。材料科學(xué)部的高壓光學(xué)圖像浮區(qū)熔爐具有特殊功能。它可以達(dá)到150個(gè)大氣壓(相當(dāng)于海洋深度近5,000英尺處的破碎壓力)和大約2000攝氏度(超過3,600華氏度)的溫度，這是生長晶體所需的條件。

“我們不確定我們是否可以制作這些材料，”該研究的第一作者，Argonne博士后研究員張俊杰說。但事實(shí)上，他們設(shè)法生長出幾毫米直徑(一小部分英寸)的晶體。

研究小組通過

在高級光子源(DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室)進(jìn)行X射線吸收光譜測量，并通過進(jìn)行密度泛函理論計(jì)算，驗(yàn)證了鎳酸鹽的電子結(jié)構(gòu)類似于銅酸鹽材料的電子結(jié)構(gòu)。材料科學(xué)家使用密度泛函理論來研究凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)的電子特性。

“我整個(gè)職業(yè)生涯都沒有制造高溫超導(dǎo)體，”米切爾開玩笑說。但這可能會在他的團(tuán)隊(duì)研究的下一階段發(fā)生變化：嘗試使用稱為電子摻雜的化學(xué)過程在其鎳酸鹽材料中誘導(dǎo)超導(dǎo)性，其中雜質(zhì)被故意添加到材料中以影響其性質(zhì)。