Neuzugänge in der Familie der Hochtemperatur-Supraleiter! Warum suchen wir immer noch nach Hochtemperatur-Supraleitern?

Die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung hat die traditionelle Vorstellung widerlegt, dass Supraleitung nur bei extrem niedrigen Temperaturen existieren kann, und die Entwicklung hochmoderner Bereiche wie der Materialwissenschaft und der Festkörperphysik vorangetrieben. Die Entdeckung neuer Arten von Hochtemperatur-Supraleitern war schon immer ein Ziel der Wissenschaftler. Kürzlich veröffentlichte die internationale Fachzeitschrift Nature die neuesten Forschungsergebnisse chinesischer Wissenschaftler, die einen weiteren neuen Typ von Hochtemperatur-Supraleiter entdeckt haben.

Dem Team von Professor Zhao Jun vom Fachbereich Physik der Universität Fudan gelang es, mithilfe der optischen Hochdruck-Floating-Zone-Technologie drei Schichten Nickeloxid zu züchten und so die druckinduzierte Volumen-Supraleitung in Nickeloxid zu bestätigen. Der supraleitende Volumenanteil erreichte 86 %. Diese Errungenschaft bietet den Menschen eine neue Perspektive und Plattform zum Verständnis des Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung. Was ist ein Supraleiter? Warum suchen wir nach neuen Hochtemperatur-Supraleitermaterialien? Wir haben Luo Huiqian, einen Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften , eingeladen, der Öffentlichkeit die Anwendungsattraktivität von Hochtemperatur-Supraleitermaterialien zu erläutern.

F: Was ist ein Supraleiter? Was sind Hochtemperatur-Supraleiter?

Antwort: Supraleiter sind Materialien, die sowohl einen absoluten Nullwiderstand als auch völlige Antimagnetizität aufweisen. Sein Wesen besteht im makroskopischen, quantenverdichteten Zustand wandernder Elektronen im Inneren des Materials bei einer ausreichend niedrigen Temperatur . Die meisten supraleitenden Materialien sind auf Umgebungen mit niedrigen Temperaturen angewiesen, um Supraleitung zu erreichen, im Allgemeinen unter 40 K. Derzeit gibt es nur zwei Haupttypen von Materialien, die bei Normaldruck 40 K durchbrechen können, nämlich Kuprate und Supraleiter auf Eisenbasis. Unter ihnen haben Kuprate die höchste kritische Temperatur von 134 K bei Normaldruck, was den Siedepunkt von flüssigem Stickstoff (> 77 K) übersteigt.

F: Warum suchen wir nach neuen Hochtemperatur-Supraleitern?

Antwort: Obwohl es zwei große Familien von Hochtemperatur-Supraleitern gibt und einige Materialsysteme im Temperaturbereich von flüssigem Stickstoff verwendet werden können, weisen sie alle viele Engpässe in ihrer Anwendung auf, wie z. B. Toxizität, Schwierigkeiten bei der Herstellung reiner Phasenmaterialien, große Anisotropie, schwache Korngrenzenverbindungen und schlechte mechanische und mechanische Eigenschaften . Derzeit werden als supraleitende Materialien hauptsächlich herkömmliche Niedertemperatur-Supraleiter wie Niob-Titan-Legierungen und Niob-Zinn-Legierungen in großem Maßstab verwendet. Sie sind auf teure Flüssigheliumkühlung angewiesen und verursachen sehr hohe Anwendungskosten. Daher ist es notwendig, neue Hochtemperatur-Supraleitermaterialien zu erforschen, die für groß angelegte Anwendungen geeignet sind.

Die mikroskopischen Mechanismen von Supraleitern auf Kupferoxid- und Eisenbasis sind noch nicht verstanden und beinhalten hochaktuelle wissenschaftliche Probleme in der Festkörperphysik, wie etwa stark korrelierte Vielteilchenwechselwirkungen, die Koexistenz konkurrierender Ordnungen mehrerer Elektronenzustände und die gleiche Betonung von Ladungs- und magnetischen Wechselwirkungen. Das Verständnis des Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung dürfte zur Entwicklung eines neuen physikalischen Theorierahmens oder sogar eines völlig neuen Forschungsparadigmas inspirieren. Allerdings gibt es viele unterschiedliche Meinungen zum Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung, und es werden dringend mehr neue Hochtemperatur-Supraleitermaterialien benötigt , um ihre Universalität zu bestätigen .

F: Warum gilt Nickeloxid als eines der wichtigsten Kandidatenmaterialien für die Erzielung von Hochtemperatur-Supraleitung?

Antwort : Schon in den 1980er Jahren wurden Wissenschaftler bei der Suche nach Supraleitung in Oxiden auf Nickeloxid aufmerksam, konnten jedoch keine Supraleitung feststellen. Im Jahr 2019 erreichte Hwangs Team in den USA Supraleitung bei etwa 15 K in Nd0,8Sr0,2NiO2-Dünnschichtproben. Anschließend untersuchten Wissenschaftler die Supraleitung in Struktursystemen wie La2NiO4, La3Ni2O7 und La4Ni3O10. Im Juli 2023 veröffentlichten das Team von Professor Wang Meng von der School of Physics der Sun Yat-sen-Universität und ihre Mitarbeiter einen Artikel in Nature, in dem sie die Entdeckung einer durch Hochdruck induzierten Supraleitung von etwa 80 K (Druck von 14 GPa) in La3Ni2O7-Einkristallproben bekannt gaben. Der supraleitende Volumenanteil der Hochdruck-Supraleitung von La3Ni2O7 ist jedoch nicht hoch und die erste gemeldete Widerstandsmessung erreichte keinen Nullwiderstand, sodass die Supraleitung weiterhin fraglich bleibt.

Durch die unermüdlichen Bemühungen chinesischer Wissenschaftler erreichten das Team von Yuan Huiqius von der Zhejiang-Universität und das Team von Cheng Jinguang vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften den Nullwiderstandszustand des Materials und erhöhten seinen supraleitenden Volumenanteil auf über 40 %, wodurch seine Supraleitung bestätigt wurde. Gleichzeitig haben das Team von Wen Haihu von der Universität Nanjing, das Team von Qi Yanpeng von der Shanghai University of Science and Technology und ein Team japanischer Wissenschaftler nacheinander entdeckt, dass das La4Ni3O10-System ebenfalls über Hochdruck-Supraleitung verfügen könnte, die Volumenanteile jedoch sehr gering sind. Im Juli 2024 erreichte das Team von Zhao Jun an der Universität Fudan einen Volumenanteil Supraleitung von 86 % im La4Ni3O10-System und bestätigte damit die Supraleitung des Materials. Bisher umfasst die Familie der nickelbasierten Supraleiter drei Mitglieder: LaNiO2, La3Ni2O7 und La4Ni3O10 , wobei La durch andere Seltenerdmetallelemente ersetzt werden kann.

Nickeloxidmaterialien weisen eine Materialstruktur auf, die der von Kupferoxiden sehr ähnlich ist. Gleichzeitig liegt das Element Ni im Periodensystem nahe bei Cu und Fe, und die an der Supraleitung beteiligten Elektronen sind hauptsächlich d-Orbitalelektronen. Es wird allgemein angenommen, dass sie ähnliche elektronische Zustände aufweisen, was bedeutet, dass ihre supraleitenden Mechanismen bestimmte Gemeinsamkeiten haben. Obwohl spätere Studien gezeigt haben, dass die Supraleitung von Nickeloxid hauptsächlich auf die d-Orbitalpaarung zwischen den Schichten zurückzuführen ist, die sich von der d-Orbitalpaarung innerhalb der Schichten von Kupferoxid unterscheidet, lieferte sie auch weitere Anregungen für die Untersuchung des Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung .

F: Welche Methoden verwenden Wissenschaftler bei der Suche nach neuen Hochtemperatur-Supraleitern?

Antwort: Bei der Erforschung neuer Hochtemperatur-Supraleiter gibt es viele Ideen, auf die man zurückgreifen kann.

1. Mithilfe von Ultrahochdruck werden neue Materialstrukturen erzeugt, die unter Normaldruck nicht erreichbar sind. Materialien mit höherem Wasserstoffgehalt können Supraleiter bei Raumtemperatur sein. Diese Idee wird seit 2015 kontinuierlich erprobt und tatsächlich wurden viele Supraleiter mit extrem hohen Temperaturen gefunden, wie beispielsweise der 260-K-Supraleiter LaH10.

2. Untersuchen Sie ausgehend vom bestehenden mikroskopischen Mechanismus von Supraleitern, welche Wechselwirkungen zur Erhöhung der Supraleitungstemperatur beitragen, und entwickeln und konstruieren Sie dann neue Materialien, um die kritische Temperatur mit Hilfe mehrerer Wechselwirkungen zu erhöhen.

3. Brechen Sie aus dem Denkrahmen dreidimensionaler Materialien aus und suchen Sie nach Supraleitung bei Raumtemperatur in Verbundwerkstoffen oder zweidimensionalen Schnittstellen oder setzen Sie atomare Bausteine ​​in der eindimensionalen Welt neu zusammen.

4. Mithilfe der aktuellen KI-Rechenleistung können wir das Training anhand einer riesigen Datenbank mit verschiedenen bekannten Eigenschaften supraleitender Materialien durchführen. Auch wenn der Mechanismus der Supraleitung unklar ist, kann er uns dabei helfen, neue Supraleiter vorherzusagen, sogar Supraleiter bei Raumtemperatur. Dies hängt von der Genauigkeit der Datenbank und der Zuverlässigkeit der KI ab. Die Wissenschaftler haben gerade erst mit der Arbeit begonnen und es wurden einige Fortschritte erzielt, aber leider handelt es sich bei keinem dieser Stoffe um Supraleiter bei Raumtemperatur.

Experte: Luo Huiqian, Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Science Popularization China