記者從中國科學(xué)院物理研究所獲悉，利用中國大科學(xué)裝置——綜合極端條件實驗裝置(SECUF)，該所程金光團(tuán)隊和周睿團(tuán)隊聯(lián)合中外多個研究團(tuán)隊，最新在鎳基高溫超導(dǎo)體的研究中取得重要進(jìn)展，在鐠摻雜的雙鎳氧層鈣鈦礦材料高壓四方相中實現(xiàn)塊體高溫超導(dǎo)電性。

合作團(tuán)隊充分發(fā)揮綜合極端條件實驗裝置獨(dú)特實驗測量技術(shù)的優(yōu)勢，在鐠摻雜的雙鎳氧層鈣鈦礦材料多晶樣品中，同時提供了高壓下實現(xiàn)塊體高溫超導(dǎo)電性的零電阻和完全抗磁性兩個關(guān)鍵實驗證據(jù)，澄清了目前鎳基高溫超導(dǎo)電性起源和體超導(dǎo)的爭議問題，并揭示出微觀結(jié)構(gòu)無序?qū)Ω邷爻瑢?dǎo)電性的不利影響。

綜合極端條件實驗裝置的六面砧高壓實驗站和強(qiáng)磁場核磁共振實驗站的實物照片，以及鐠摻雜的雙鎳氧層鈣鈦礦材料多晶樣品的高壓結(jié)構(gòu)演化和超導(dǎo)相圖。中國科學(xué)院物理研究所/供圖

高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的這項重要研究進(jìn)展成果論文，北京時間10月2日夜間在線發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》。該研究工作對于鎳基高溫超導(dǎo)材料的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計與合成具有重要指導(dǎo)作用，將推動鎳基高溫超導(dǎo)體的研究進(jìn)程。

合作團(tuán)隊介紹，高溫超導(dǎo)體由于在變革性技術(shù)方面具有巨大的應(yīng)用前景而備受關(guān)注，發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)體系并揭示其物理機(jī)制是超導(dǎo)領(lǐng)域的研究前沿。2023年，中國學(xué)者發(fā)現(xiàn)雙鎳氧層鈣鈦礦材料單晶在高壓下具有高溫超導(dǎo)電性的跡象，掀起鎳基高溫超導(dǎo)的研究熱潮。隨后，中國學(xué)者在該體系中成功觀察到零電阻態(tài)，但關(guān)于其完全抗磁性的實驗證據(jù)仍然缺乏。

此外，實驗研究顯示雙鎳氧層鈣鈦礦材料單晶樣品由于穩(wěn)定生長的氧壓范圍很窄，容易出現(xiàn)化學(xué)組分不均勻、內(nèi)頂角氧空位以及多種鎳氧化物共存等問題，這造成目前關(guān)于雙鎳氧層鈣鈦礦材料中高溫超導(dǎo)電性的起源以及能否實現(xiàn)體超導(dǎo)態(tài)(完全抗磁性)等核心科學(xué)問題仍存在爭議，嚴(yán)重阻礙了鎳基高溫超導(dǎo)體的研究進(jìn)程。

為此，研究團(tuán)隊這次調(diào)整思路將研究對象轉(zhuǎn)向晶體質(zhì)量更易控制的多晶樣品，成功制備出單相性良好的具有雙鎳氧層結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦材料多晶樣品，并在該樣品中同時觀測到零電阻和完全抗磁性。其研究結(jié)果表明，鎳基高溫超導(dǎo)電性起源于雙鎳氧層鈣鈦礦相。

在本項研究中，綜合極端條件實驗裝置的六面砧高壓實驗站和強(qiáng)磁場核磁共振實驗站發(fā)揮出關(guān)鍵作用。其中，六面砧實驗站提供的大腔體高靜水壓環(huán)境，有效克服了鎳基超導(dǎo)材料對非靜水壓環(huán)境異常敏感而無法實現(xiàn)零電阻的難題；強(qiáng)磁核磁共振實驗站提供了一種定量確定樣品中不同鎳氧化物相比例以及界面等微觀結(jié)構(gòu)無序的方法。

據(jù)了解，綜合極端條件實驗裝置是中國國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，已建成國際先進(jìn)的集極低溫、超高壓、強(qiáng)磁場和超快光場等綜合極端條件為一體的用戶實驗裝置，可極大提升中國在物質(zhì)科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究綜合實力。該大科學(xué)裝置(北京部分)于2017年開始動工，2023年初全面投入試運(yùn)行，20個實驗站對中外用戶開放。

中國科學(xué)院物理研究所表示，綜合極端條件實驗裝置提供的高壓、低溫和磁場等極端實驗條件，目前已助力中國科研用戶在多種鎳氧層鈣鈦礦材料中相繼發(fā)現(xiàn)高壓誘導(dǎo)的高溫超導(dǎo)電性，未來將繼續(xù)為新型高溫超導(dǎo)材料的探索與機(jī)理研究提供重要支持。