08,12,2026 4просмотры
【Разведка сети приборов.« Высокотемпературная сверхпроводимость является важным направлением будущей высокоэффективной передачи электроэнергии и развития высокопроизводительных электронных устройств, но ее микромеханизм всегда был « коронной загадкой» физики конденсированного состояния.
Вечером 12 августа по пекинскому времени команда профессора Чжан Юаньбо из факультета физики Фуданьского университета опубликовала в Nature под названием « Superconducting 2D cuprate with a single CuOneneneed plane» результаты исследований, которые успешно истощили высокотемпературные сверхпроводники на основе меди до одной сверхпроводящей плоскости - одной поверхности CuOneneneek.
Эта « экстремальная операция» не только подтверждает двумерную природу высокотемпературной сверхпроводимости, но и обнаруживает странные « аномальные металлические состояния» и квантово - критические явления в критических точках перехода сверхпроводимости - изолятора, обеспечивая совершенно новую квантовую экспериментальную платформу для изучения механизма высокотемпературной сверхпроводимости
Приближение к физическому пределу: скачок от "двойного слоя" к "однослойному"
Сверхпроводник - это класс материалов с нулевым сопротивлением при определенной температуре перехода и полной магнитной устойчивостью, который может широко использоваться в области передачи и хранения энергии, медицинской визуализации, поездов с магнитной подвеской, квантовых вычислений и других областях, имеет важное значение для научных исследований и технических применений.
В 1986 году Йоханнес Беднольц (J. Georg Bednorz) и Карл Мюллер (K. Alex Müller) обнаружили высокотемпературную сверхпроводимость в оксиде меди лантана - бария (La - BA - Cu - O) с критической температурой до 30 K ("K" - термодинамическая единица температуры "Кельвин", 30 K = - 243,15 °C), результат, который получил Нобелевскую премию по физике в 1987 году. С тех пор ученые провели углубленные исследования высокотемпературных сверхпроводников на основе меди и разработали десятки систем материалов. Хотя эти высокотемпературные сверхпроводники на основе меди различаются по химическому составу и критической температуре сверхпроводимости, все они имеют одну общую особенность - сверхпроводимость рождается в очень тонком слое двухмерной медно - кислородной плоскости атомного класса.
Однако, согласно традиционной теории физики, в двумерном мире достижение такого « упорядоченного состояния», как сверхпроводимость, очень нестабильно и чрезвычайно уязвимо для тепловых флуктуаций. Почему высокотемпературная сверхпроводимость может быть стабильной на двумерной медно - кислородной поверхности? Это ключ к пониманию механизма высокотемпературной сверхпроводимости.
Самая непосредственная стратегия, чтобы справиться с этой проблемой, - это сделать материал тонким до крайности или даже уменьшить его толщину до атомного уровня, чтобы наблюдать изменения сверхпроводимости. Тем не менее, атомный слой оксида меди чрезвычайно уязвим и уязвим для процессов воздуха и обработки, а содержание кислорода трудно стабилизировать и точно контролировать, что создает большие проблемы для подготовки и измерения материала, который сохраняет свои свойства.
В 2019 году команда Чжан Юаньбо и ее коллеги подготовили однослойный Bi2Sr2CaCu2O8 + дельта и впервые представили прямые экспериментальные доказательства того, что однослойный сверхпроводник на основе меди при двумерном пределе обладает теми же сверхпроводящими свойствами, что и монолитный сверхпроводник на основе меди, раскрывая двумерную природу высокотемпературной сверхпроводимости. На этот раз команда пошла дальше и на основе предыдущих исследований успешно подготовила предельный двумерный медно - оксидный сверхпроводник, содержащий только одну поверхность CuOneneneek - однослойный Bi2Sr2CuO6 + дельта (Bi2201).
« Впервые мы продвинули толщину оксида меди из двух слоев в настоящую однослойную структуру, что позволило провести предельную проверку свойств сверхпроводимости оксида меди. Измеренные данные решительно поддерживают идею о том, что « высокотемпературная сверхпроводимость оксида меди является сильным двумерным явлением», и дают ключевые экспериментальные доказательства этой долгосрочной гипотезы », - сказал Чжан Юаньбо.
Независимые исследования и разработки, создание « регулирования на месте » научного оружия
Чтобы подготовить и измерить очень тонкую двумерную плоскость атомного класса, необходимо преодолеть несколько экспериментальных трудностей, таких как хрупкий материал, подверженный влиянию процессов воздуха и обработки, а содержание кислорода трудно стабилизировать и точно контролировать. Столкнувшись с проблемой отсутствия специального оборудования на рынке, исследовательская группа Чжан Юаньбо встала на путь самостоятельной разработки приборов.
Команда завершила очистку образцов и подготовку приборов в низкотемпературной среде инертной атмосферы, в сочетании с холодной сваркой микроэлектродов, чтобы решить проблему однослойного оксида меди, подверженного разрушению воздухом и водяным паром. Что еще более важно, команда разработала технологию регулирования легирования с очень высокой точностью для достижения обратимой регулировки содержания кислорода.
« Мы измеряем и точно регулируем содержание кислорода в материале, контролируя концентрацию и температуру озона», - сказал один из авторов сообщения, профессор физики Фуданьского университета Нгуен Вэй. Благодаря этой технологии « регулирования местоположения», команда достигла разрешения легирования до дельта p e.00005, что позволяет наблюдать полную физическую фазу от изоляционной фазы Мотта до всего сверхпроводящего купола.
Основываясь на передовых экспериментальных приборах и инновационных технологиях, они обнаружили, что оптимальная температура сверхпроводимости для однослойных материалов примерно на 10% ниже, чем для блоков, что указывает на то, что толщина действительно влияет на температуру сверхпроводимости. Но в то же время монослойный материал полностью сохраняет системные характеристики, связанные с блоковым материалом, что указывает на то, что, хотя снижение толщины влияет на температуру сверхпроводимости перехода, основные физические свойства оксида меди по - прежнему хорошо представлены на одной поверхности CuOneneneed, что также обеспечивает ключевую проверку свойств сверхпроводимости при двумерном пределе.
Используя высокоточную регулируемую зону крайне слабого легирования, команда дополнительно снизила температуру примерно до 100 мК и углубилась в квантово - критическую область сверхпроводимости - изолятора, сделав неожиданные открытия. Команда наблюдала странное квантово - критическое явление в однослойном Bi - 2201: с падением температуры поведение универсальной шкалы вблизи традиционной квантовой критической точки терпит неудачу, и вместо этого его эффективный критический индекс быстро расходится, приближаясь к критической зоне, демонстрируя типичную квантовую сингулярность Гриффита.
Что еще более важно, при нулевом температурном пределе между сверхпроводимостью и изоляцией возникает аномальное металлическое состояние, сопротивление которого имеет ограниченное значение при низкотемпературном насыщении. Эта аномальная металлическая форма может быть получена либо путем уменьшения кавитационного легирования, либо путем добавления вертикального магнитного поля. Это открытие согласуется с изображением Бозе - металла: высокотемпературная сверхпроводимость возникает в результате квантового фазового перехода двумерной бозонной системы с некомпетентным зазором и без сверхтока.
Это открытие не только раскрывает эффект реального измерения в одной плоскости CuOneneneek, но и обеспечивает высокорегулируемую и высококачественную двухмерную экспериментальную платформу для изучения квантовых критических явлений и аномальных металлических состояний.
Продолжайте « закладывать фундамент» в области высокотемпературной сверхпроводимости
Закрепление основных проблем, несколько лет, чтобы преодолеть трудности, это устойчивое и углубленное исследование является отличительной чертой команды Чжан Юаньбо. Этот результат не только подтолкнул высокотемпературную сверхпроводимость к истинному однослойному пределу, обнаружил новые явления, которые не наблюдались ранее, но и заложил прочную основу для изучения высокотемпературного сверхпроводимости.
« Наш вклад можно охарактеризовать как « добавление кирпича» в область. Команда заявила, что это исследование впервые реализует как « чистую систему», так и « тонкое регулирование» при ограничении одной медно - кислородной поверхности, что эквивалентно предоставлению экспериментальной платформы для « контролируемых переменных», которая позволяет исследователям систематически отслеживать полный путь преобразования сверхпроводимости с нуля, от слабого до сильного.
Прошло почти сорок лет с тех пор, как высокотемпературная сверхпроводимость была обнаружена в 1986 году, и механизм еще не полностью взломан, но каждое приближение к « предельным условиям», материал более тонкий, более чистый и более контролируемый, является одним кирпичом, чтобы продвинуть границу ответа еще на один шаг вглубь.
На следующем этапе команда будет продолжать фокусироваться на основных проблемах в области высокотемпературной сверхпроводимости и исследовать более высокопроизводительные высокотемпературные сверхпроводники; Решите ключевые проблемы в процессе подготовки материалов и физических измерений, продолжайте продвигать исследования в новых двумерных квантовых материалах и других направлениях.
Профессор Чжан Юаньбо, профессор Нгуен Вэй и профессор Чэнь Сяньхуй из Китайского университета науки и техники, факультет физики Фуданьского университета, являются соавторами диссертации. Исследовательское сотрудничество включает Фуданьский университет, Китайский университет науки и техники, Университет Британской Колумбии, Чжэцзянский университет, Китайский народный университет, Шанхайский университет Цзяотун, Институт физики Китайской академии наук, Научно - исследовательский институт Вейцмана и Университет Цинхуа. Это исследование поддерживается такими проектами, как Государственная ключевая программа исследований и разработок Министерства науки и техники, Программа прорыва в фундаментальных и междисциплинарных дисциплинах Министерства образования, Программа оригинальных исследований Государственного комитета по естественным наукам, крупные проекты Министерства науки и техники, Шанхайский городской комитет по науке и технике, Научный фонд « Новый краеугольный камень» и другие.
