近日,山东大学晶体材料全国重点实验室团队在镍基高温超导体研究领域取得突破性进展,成功实现了镍基高温超导体的高质量单晶制备和性能优化,为高温超导研究开辟了全新方向。这一成果不仅打破了镍基高温超导材料的"卡脖子"问题,更将我国高温超导研究推向了国际前沿水平。
山东大学镍基高温超导体研究取得重大突破
镍基高温超导体的发现,是超导研究领域的一次重要突破。传统高温超导材料主要分为铜氧化物超导体、铁基超导体和镍基超导体三大类。铜氧化物超导体自1986年被发现以来,一直是高温超导研究的主流方向,其最高临界温度(Tc)曾达到133K(在高压条件下)。铁基超导体于2008年被发现,其Tc最高可达55K。而镍基超导体作为较新的研究方向,长期以来因高质量单晶制备困难而进展缓慢,最高Tc仅为30K左右。
山东大学团队的突破在于,他们首创了"常压助熔剂法",在常压下成功生长了系列双层镍氧化物单晶。这一方法解决了镍基超导高质量单晶制备的难题,为深入研究镍基超导机理提供了关键材料基础。通过这种方法,团队发现La2SmNi2O7单晶在21.6GPa下Tc高达92K,零电阻温度73K,超导体积分数超60%,证实该材料为体超导。这一发现不仅打破了镍基超导温度纪录,更证实了镍基超导材料在高压下具有优异的超导性能。
与铜氧化物超导体相比,镍基超导体具有独特的结构特征。铜氧化物超导体主要由CuO2平面构成,而镍基超导体则由NiO2平面构成。镍基超导体的结构更加简单,且对氧含量的敏感度较低,这可能意味着其超导机理与铜氧化物超导体不同,为理解高温超导机理提供了新视角。
与低温超导体相比,高温超导体具有明显优势。低温超导体通常需要液氦(4.2K)冷却,而高温超导体可在液氮(77K)温度下工作,大大降低了应用成本。目前,铜氧化物高温超导体已在电力传输、医疗设备等领域得到应用,而镍基超导体的突破则有望进一步提升超导材料的性能。
山东大学团队的另一重要发现是,镍基超导材料在单斜、四方两种结构下均能超导,这为解决镍基高温超导机理问题提供了重要结构基础。他们还首次发现关键规律:常压下面内晶格畸变Δ=(a-b)/(a+b)与高压下最高Tc呈正相关,即晶格畸变越大,超导温度越高。基于此规律,团队测试了La1.57Sm1.43Ni2O7-δ单晶,发现其高压下Tc高达96K(约–177℃),创造了全球最高镍基超导温度纪录。
这一发现对高温超导研究具有重大意义。研究表明,镍基超导体的超导性能与晶格畸变密切相关,这为设计和合成更高Tc的镍基高温超导材料提供了有效思路。团队进一步预测,晶格畸变更大的La0.87Nd2.13Ni2O7-δ单晶高压下最高Tc有望突破100K,这将为高温超导材料的应用开辟更广阔的空间。
我国高温超导研究在国际上属于什么梯队
高温超导材料的应用前景广阔。在电力领域,高温超导电缆可实现大容量、低损耗的电力传输,大幅提高电网效率;在医疗领域,超导磁体可用于制造高场强核磁共振成像设备,提供更清晰的医学影像;在交通领域,高温超导磁悬浮技术可实现高速、安静、低能耗的交通工具;在能源领域,高温超导材料在核聚变反应堆中的应用,将为清洁能源开发提供关键技术支持。
目前,全球高温超导研究主要集中在铜氧化物、铁基和镍基三大方向。铜氧化物超导体研究已较为成熟,铁基超导体研究也取得一定进展,而镍基超导体研究则处于相对前沿的探索阶段。山东大学团队的突破,使我国在镍基高温超导研究领域处于国际领先地位,为高温超导研究开辟了新的方向。
值得注意的是,我国在高温超导材料的产业化应用方面也取得了重要进展。近年来,我国在高温超导电力电缆、超导变压器、超导限流器等应用领域已实现商业化示范运行,为高温超导材料的产业化提供了良好基础。随着镍基高温超导材料性能的进一步提升,我国在高温超导产业化应用方面的优势将进一步扩大。
高温超导研究的突破,不仅具有重要的科学意义,更对我国能源、医疗、交通等领域的创新发展具有深远影响。随着镍基高温超导材料研究的深入,高温超导材料的性能将得到进一步提升,应用范围也将进一步扩大,为我国建设创新型国家提供重要支撑。
山东大学团队的镍基高温超导体研究突破,标志着我国在高温超导研究领域已进入国际第一梯队。这一成果不仅为我国超导研究开辟了新方向,也为全球高温超导研究提供了重要参考,将推动高温超导技术在更多领域的应用,为人类科技进步作出重要贡献。随着研究的深入,镍基高温超导体有望成为继铜氧化物和铁基超导体之后的又一重要超导材料体系,为高温超导技术的广泛应用奠定基础。