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钯材料将代替镍引领超导研究的新时代

文章来源：贤集网更新时间：2023-04-27 15:45:25

对确定创造超导体的最佳方法的寻找，在现代物理学领域，一直是一个令人振奋的追求，以便在高温和环境压力下保持其超导性。近来，镍酸盐的出现为这一探索注入了活力，开启了超导的新时代。

“目前只有在极低温度或超高压力下才能观察到超导性，这意味着实验中使用的超导材料无法投入到长期、常规的应用中，比如无损电力传输、超导磁悬浮高速列车和平价医疗影像设备。”南开大学电子信息与通信系副教授季鲁说。

从1911年荷兰科学家卡莫林发现超导现象以来，人类在探索超导材料的路上一直没有停下脚步。100多年来，在试图解释超导机理的同时，科学家一直在想办法提升超导材料的临界温度。

这些超导体的基础在于镍，促使许多科学家将这一时期的超导研究称为"镍时代"。在许多方面，镍酸盐与铜酸盐相似，后者是在20世纪80年代的时候发现的，以铜为基础。

铜基（铜酸盐）超导体长期以来一直保持着环境压力下最高超导临界温度 ( Tc )的记录。2019年，经过数十年的理论和实验努力，研究人员报告了一种镍基（镍酸盐）模拟铜酸盐超导体。从那时起，其他人就试图找出在这种单轨道主导系统中控制超导性的因素。

科学家建议用用钯代替镍

日本兵库大学的Motoharu Kitatani和他的同事现在确定了其中的一些因素，并建议用钯代替镍可以提供一种材料，其超导温度甚至高于铜酸盐超导体。该研究可能有助于指导对新型超导材料的持续研究，并使“钯”成为市场上的新生事物。

Kitatani和他的同事此前曾使用一种称为单波段Hubbard模型的标准凝聚态物理模型来预测镍化物的Tc，并使用无缺陷镍化物薄膜中的测量结果验证了他们的预测。现在，通过模拟这个系统，同时改变电子的相互作用强度、填充因子和能量动量色散，研究人员追踪了导致超导性出现的电子-电子配对的强度。这使他们能够确定优化Tc的电子配置。

然而，根据他们的结果，无论是镍化物还是铜化物都无法接近这些优化的条件。相反，研究人员发现，由于相互作用较弱，因此相关性较弱，Paladates可以更接近使Tc最大化的最佳“Goldilocks”条件。

科学家发现了"Goldilocks区"，在这个区里，超导性工作得特别好。而这个区域既不是用镍也不是用铜，而是用钯来达到。这可能为超导研究带来一个新的"钯金时代"。这些结果现在已经发表在科学杂志《物理评论快报》上。

寻找更高的过渡温度

在高温下，超导体的行为与其他导电材料非常相似。但是当它们被冷却到某个"临界温度"以下时，它们就会发生巨大的变化：它们的电阻完全消失，突然间它们可以毫无损失地导电。材料在超导和正常导电状态之间变化的这一极限，被称为"临界温度"。

"我们现在已经能够计算出整个系列材料的这个"临界温度"。通过我们在高性能计算机上的建模，我们能够高度准确地预测镍酸盐超导的相图，正如后来的实验所显示的那样，"来自维也纳大学固体物理研究所的Karsten Held教授说。

许多材料只有在绝对零度以上（-273.15°C）才会成为超导体，而其他材料即使在更高的温度下也能保持其超导特性。一种在正常室温和正常大气压力下仍然保持超导性的超导体将从根本上改变我们产生、运输和使用电力的方式。然而，这样一种材料还没有被发现。

尽管如此，高温超导体，包括那些杯状物类的超导体，在技术方面发挥着重要作用--例如，在传输大电流或产生极强的磁场方面。

铜？镍？还是钯？

寻找最佳的超导材料是很困难的：有许多不同的化学元素会出现问题。可以把它们放在不同的结构中，可以添加其他元素的微小痕迹来优化超导性。Karsten Held教授说："为了找到合适的候选材料，你必须在量子物理学层面上了解电子在材料中如何相互作用。"

这表明，电子的相互作用强度有一个最佳值。相互作用必须是强的，但也不能太强。在这两者之间有一个"黄金地带"，使其有可能达到最高的过渡温度。

钯酸盐是最佳解决方案

这个中等相互作用的黄金区域既不能用铜酸盐也不能用镍酸盐来达到--但人们可以用一种新型的材料来击中靶心：所谓的钯酸盐。"钯在周期表中直接比镍低一行。属性相似，但那里的电子平均离原子核和彼此更远一些，所以电子相互作用更弱，"卡斯滕-海德说。

该模型计算显示了如何实现钯数据的最佳过渡温度。"计算结果是非常有希望的，"卡斯滕-赫尔德说。"我们希望，我们现在可以利用它们来启动实验研究。如果我们有一个全新的、额外的钯类材料可用来更好地理解超导性，并创造出更好的超导体，这可能会使整个研究领域向前发展。"

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