1.1986年，科學家們意外地發現鑭鋇銅氧（La1.85Ba0.15CuO4）在35K的溫度下會變成具有零電阻的超導體——這種材料具有無損耗傳輸電流的能力。不久之后，科學家就發現了許多能在高達133.5K的溫度之下實現超導的銅氧化物（銅酸鹽）。這為實現室溫超導，徹底改變電子設備、電力傳輸和其他技術帶來了希望。但是，銅酸鹽的超導機制究竟是如何形成的？經過30多年的研究，物理學家依然沒能對此達成共識。最近，斯坦福大學的物理學家們制造出了第一種顯示出明顯超導跡象的鎳氧化物。在最近的《自然》雜志上他們報告稱，釹鍶鎳氧（Nd0.8Sr0.2NiO2）可以在低于9-15K的溫度下實現超導。這種材料的晶體結構與銅酸鹽超導體相似。這種相似之處不禁讓科學家們懷疑，鎳酸鹽是否也能在相對較高的溫度下進行超導。對超導領域的研究來說，這是一個非常重要的發現。它的出現使得科學家開始重新思考這些材料的電子結構以及潛在的超導機制。接下來，將會有大量的理論和實驗研究圍繞著這類新的材料展開。2.在金屬材料中，當電子間的排斥作用轉變成吸引作用時，金屬就會表現出超導性。在這種情況下，周圍原子對這些電子的電荷與自旋的反應，會間接地導致電子配對。在足夠低的溫度下，這些成對的電子會凝結成超流體——種沒有摩擦且電阻為零的物質狀態。在常規機制中，靠近電子的原子在空間上產生的位移會變成對另一個電子的吸引區。但是，一些理論研究表明，這種效應應該非常微弱，不足以解釋銅酸鹽的高溫超導性。因此有研究人員認為，運動中的電子的自旋或許會導致銅酸鹽中的磁有序（原子自旋的有序模式）發生偏差。要了解這個機制是如何運作的，我們可以研究一下銅酸鹽超導體La1.85Ba0.15CuO4，它是通過用鋇（Ba）取代化合物La2CuO4中的一些鑭（La）而得到的。當La2CuO4中部分的鑭被鋇取代時，一種名為空穴的電子空位會通過一種摻雜過程而被引入到系統中。Cu2?離子與這些空穴結合在一起，對周圍Cu2+離子的自旋方向造成嚴重干擾，于是，這種與空穴摻雜有關的磁性變化導致了配對的出現。3.在元素周期表中，鎳就緊挨在銅的旁邊。自從銅酸鹽超導體被發現以來，科學家們就夢想能以鎳（Ni）為基礎制造出類似的氧化物材料。但是，要為鎳氧化物制造有利于超導性的原子結構是極度困難的。在過去30年左右的時間里，科學家們一直試圖在LaNiO?和NdNiO?等化合物中尋找超導性，它們是由鑭/釹與NiO?的平面交替而成的。在這類材料中，Ni1+離子所扮演的角色與Cu2+離子在La1.85Ba0.15CuO4中類似，它們都具有相同的超導誘導作用。有幾個不同的研究小組成功地制備出了粉狀和薄膜狀的LaNiO2和NdNiO2，不過并沒有發現超導性，但也沒有出現磁序的跡象。○ 為了創造出一種新型的超導材料，SLAC和斯坦福大學的科學家首先用一種叫做鈣鈦礦的普通材料制成了薄膜（左），然后“摻雜”了鍶（Sr）；然后將它暴露在一種剔除了一層氧原子的化學物質中。這使得薄膜翻轉成一種不同的原子結構，稱為鎳酸鹽。試驗表明，這種鎳酸鹽能以零電阻導電。| 圖片來源：李丹峰/SLAC國家加速器實驗室、斯坦福大學)在新的研究中，研究人員制備了一層NdNiO2薄膜。然后用Sr2+（鍶）離子來取代NdNiO2中的部分Nd3+（釹）離子，使薄膜有空穴摻雜。他們發現，生成的材料Nd0.8Sr0.2NiO2最高能在15K的溫度下實現超導。這意味著，科學家經過30多年的努力，終于發現了一種能在如此高溫下具有超導性的非銅酸鹽化合物。但是，有別于銅酸鹽的是，在低于1.7K的溫度下，NdNiO2中并沒有出現磁有序的跡象。因此，這一發現或許表明，磁性并非銅酸鹽具有超導性的唯一原因。不過，這一結論成立的前提是銅酸鹽和空穴摻雜的NdNiO2具有相似的電子結構，但真實情況有可能并非如此。因為這種新材料在一些基本方面似乎與銅酸鹽非常不同。例如，它可能不包含所有超導銅酸鹽都具有的一種磁性，這或許就能推翻有關這些非常規超導體是如何工作的主要理論。因此，在得出銅酸鹽和空穴摻雜的NdNiO2擁有相似的電子結構這一結論之前，還有許多問題需要解決。未來，物理學家們或許會著手研究NdNiO2中的鎳離子是否為Ni1+離子，確定摻雜空穴態的局域對稱性和自旋，以及研究材料轉變成超導態的溫度會如何隨空穴摻雜變化。盡管未知的問題還有很多，但這項新的研究或許能徹底改變我們對銅酸鹽和類銅酸鹽系統的超導性的理解，從而讓產生一批全新的高溫超導體成為可能。參考來源：https://www.nature.com/articles/d41586-019-02518-3https://www6.slac.stanford.edu/news/2019-08-28-first-report-superconductivity-nickel-oxide-material.aspx文章來源：原理IEEE Spectrum《科技縱覽》官方微信公眾平臺往期推薦石墨烯將何去何從？溝道改革：用新的材料代替硅來制作晶體管的核心部分現代物理學7大經典問題，你能理解幾個？或許一個都不能理解 查看全文
