08,12,2026 3Ansichten
【Messnetz Forschungs- und EntwicklungsnachrichtenHohe Temperatur-Superleitfähigkeit ist eine wichtige Richtung für die Entwicklung der zukünftigen effizienten Stromübertragung und leistungsstarker Elektronik, aber ihre mikroskopischen Mechanismen sind immer das "Kronenmysterium" der Kondensatphysik.
Am Abend des 12. August in Peking veröffentlichten das Team von Professor Zhang Yuanba, Abteilung für Physik an der Fudan Universität, und seine Mitarbeiter ihre Forschungsergebnisse unter dem Titel "Superleitendes 2D-Kuprat mit einer einzigen CuO₂-Ebene" in der Zeitschrift "Nature", um den Kupferbasierten Hochtemperatur-Superleiter erfolgreich so zu verdünnen, dass er nur eine superleitende Ebene enthält - nämlich eine einzige CuO₂-Fläche.
Diese „extreme Operation“ bestätigt nicht nur die zweidimensionale Natur der Hochtemperaturüberleitung, sondern entdeckt außergewöhnliche „abnorme Metallzustände“ und quantenkritische Phänomene an den kritischen Punkten der Überleit-Isolator-Transformation und bietet eine völlig neue Plattform für Quantenexperimente zur Untersuchung der Hochtemperaturüberleitmechanismen.
Nähern Sie sich den Grenzen der Physik: Der Übergang von "Doppelschicht" zu "Einschicht"
Superleiter ist eine Klasse von Materialien, die bei einer bestimmten Transformationstemperatur einen Widerstand von null haben und vollständig magnetische Widerstandsfähigkeit zeigen, die weit verbreitet in den Bereichen Stromübertragung und Energiespeicherung, medizinische Bildgebung, magnetische Suspensionen, Quantenbrechnung und andere Anwendungen verwendet werden können.
1986 entdeckten J. Georg Bednorz und K. Alex Müller eine hohe Temperaturüberleitfähigkeit in Barium-Kupferoxid (La-Ba-Cu-O) mit einer kritischen Temperatur von bis zu 30 K („K“ ist die thermodynamische Temperatureinheit „Kelvin“, 30 K = -243,15 °C), für die sie den Nobelpreis für Physik 1987 erhielten. Seitdem haben Wissenschaftler intensive Untersuchungen zu kupferbasierten Hochtemperatur-Superleitern durchgeführt und Dutzende von Materialsystemen entwickelt. Diese kupferbasierten Hochtemperatur-Superleiter, obwohl sie sich in der chemischen Zusammensetzung und der kritischen Temperatur der Superleitfähigkeit unterscheiden, haben eine große Gemeinsamkeit - die Superleitfähigkeit entsteht in einer sehr dünnen Schicht von atomarer Ebene zweidimensionaler Kupfersauerstoff.
Nach der traditionellen Theorie der Physik ist jedoch ein "geordneter Zustand" wie die Überleitfähigkeit in einer zweidimensionalen Welt sehr instabil und sehr leicht durch Hitzesteigen zerstört. Warum kann eine hohe Temperatur-Superleitfähigkeit auf einer 2D-Kupfersauerstoffoberfläche stabil vorhanden sein? Dies ist der Schlüssel zum Verständnis der Hochtemperatur-Überleitmechanismen.
Um diesem Problem zu begegnen, besteht die unmittelbarste Strategie darin, das Material bis zum Extrem zu dünnen oder sogar auf atomare Dicken zu reduzieren, um die Veränderungen in der Überleitfähigkeit zu beobachten. Allerdings ist die Kupferoxid-Atomschicht äußerst verletzlich, anfällig für Luft und Verarbeitungsprozesse, und der Sauerstoffgehalt kann nicht stabil und gut kontrolliert werden, was eine große Herausforderung für die Vorbereitung und Messung von Materialien darstellt, die ihre eigentlichen Eigenschaften aufrechterhalten.
Im Jahr 2019 haben das Team von Zhang und seine Mitarbeiter eine monoschichtige Bi2Sr2CaCu2O8 + δ entwickelt und zum ersten Mal direkte experimentelle Beweise dafür bereitgestellt, dass ein monoschichtiger Kupferbasierter Superleiter unter den zweidimensionalen Grenzen die gleichen Superleiteigenschaften wie ein Blockkupferbasierter Superleiter hat, was die zweidimensionale Natur der Hochtemperatur-Superleitfähigkeit enthüllt. Diesmal ging das Team noch einen Schritt weiter und hat auf der Grundlage früherer Studien erfolgreich einen extremen zweidimensionalen Kupferoxid-Superleiter hergestellt, der nur eine einzige CuO2-Fläche enthält - einen einschichtigen Bi2Sr2CuO6 + δ (Bi2201).
„Wir haben erstmals die Dicke von Kupferoxid von einer Doppelschicht zu einer echten Einschicht-Struktur geschoben, um die Grenzverifizierung der Kupferoxid-Überleiteigenschaften zu erreichen. Die empirischen Daten unterstützen stark die Ansicht, dass die hohe Temperaturüberleitbarkeit von Kupferoxid ein starkes zweidimensionales Phänomen ist, und liefern wichtige experimentelle Beweise für diese langfristige Hypothese“, sagt Zhang Yuanba.
Eigenständige Forschung und Entwicklung, um wissenschaftliche Werkzeuge für "in-situ-Regulierung" zu schaffen
Um extrem dünne 2D-Ebenen auf atomischer Ebene vorzubereiten und zu messen, müssen mehrere Experimente wie die Zerbrechlichkeit des Materials, die Anfälligkeit für Luft und Verarbeitungsprozesse und die schwierige Stabilität des Sauerstoffgehalts überwunden werden. Angesichts des Mangels an spezieller Ausrüstung auf dem Markt hat sich die Themengruppe Zhang Yangwe auf den Weg der autonomen Forschung und Entwicklung von Instrumenten gesetzt.
Das Team hat die Probenauslösung und die Vorbereitung der Geräte in einer niedrigen Temperaturumgebung in der inerten Atmosphäre abgeschlossen, kombiniert mit dem Kaltschweißen von Mikroelektroden, um das Problem zu lösen, dass einschichtige Kupferoxide leicht durch Luft und Wasserdampf zerstört werden. Noch wichtiger ist, dass das Team eine hochpräzise Doping-Regulierungstechnik entwickelt hat, die eine reversible Regelung des Sauerstoffgehalts ermöglicht.
"Wir messen und regulieren den Sauerstoffgehalt des Materials genau, indem wir die Ozonkonzentration und die Temperatur kontrollieren", erläutert Nguyen Wei, einer der Autoren des Newsletters und Professor für Physik an der Universität Fudan. Mit dieser in-situ-Regulierungstechnik erreichte das Team eine Doping-Auflösung von bis zu δp≈0,0005 und konnte ein vollständiges physikalisches Bild von der Mott-Isolationsphase bis zur gesamten Superleitkuppel beobachten.
Auf der Grundlage modernster experimenteller Instrumente und innovativer Technologien fanden sie heraus, dass die optimale Übergangstemperatur eines einschichtigen Materials um etwa 10% niedriger war als die des Blocks, was darauf hindeutet, dass die Dicke tatsächlich die Überleittemperatur beeinflusst. Gleichzeitig behält das einschichtige Material jedoch die assoziierten Systemeigenschaften des Blockmaterialiums intakt, was darauf hindeutet, dass die Kernphysikaleigenschaften von Kupferoxid trotz einer Dickenverringerung die Überleitungstemperatur beeinflussen, auf einer einzelnen CuO2-Oberfläche intakt sind, was auch eine entscheidende Validierung der Überleiteigenschaften unter den zweidimensionalen Grenzen bietet.
Mit einer hohen Präzisionsregelbarkeit für extrem wenig dopierte Zonen senkte das Team die Temperatur weiter auf etwa 100 mK und erkundete die Quantenkritische Region des Superleiter-Isolators mit unerwarteten Entdeckungen. Das Team beobachtete ein merkwürdiges quantenkritisches Phänomen in der Einzelschicht Bi-2201: Wenn die Temperatur abnimmt, wird das universelle Skalenverhalten in der Nähe des herkömmlichen Quantenkritischpunkts nicht funktionieren, stattdessen divergiert sich sein effektiver kritischer Index schnell, wenn er sich dem kritischen Bereich nähert, was eine typische Quanten-Griffish-Differenz zeigt.
Noch wichtiger ist, dass unter der Nulltemperaturgrenze ein abnormaler Metallzustand zwischen Überleitfähigkeit und Isolierung auftritt, dessen Widerstand bei niedriger Temperaturgesättigung begrenzt ist. Dieser abnorme Metallzustand kann sowohl durch eine reduzierte Lochdoping als auch durch das Addieren eines vertikalen Magnetfeldes erreicht werden. Diese Entdeckung stimmt mit dem Glasmetallbild überein: Hochtemperatur-Superleitfähigkeit entsteht durch ein energiefreies, nicht-superströmendes zweidimensionales Glassystem, das durch eine Quantenphasenveränderung entsteht.
Diese Entdeckung enthüllt nicht nur die wahren Dimensionseffekte auf einer einzelnen CuO₂-Fläche, sondern bietet auch eine hoch einstellbare, qualitativ hochwertige 2D-experimentelle Plattform für die Untersuchung von quantenkritischen Phänomenen und anormalen Metallzuständen.
Fortsetzung des „Brick-Adds“ zum Bereich der Hochtemperatur-Superleitfähigkeit
Diese stetige und tiefgreifende Erkundung, die Kernprobleme verankert und mehrere Jahre lang beschlossen hat, ist ein unverwechselbares Merkmal des Zhang Far Wave-Teams. Diese Ergebnisse haben nicht nur die Hochtemperatur-Superleitfähigkeit an die wahre Einschichtgrenze gedrückt, neue Phänomene entdeckt, die bisher nicht beobachtet wurden, sondern auch eine solide Grundlage für die Untersuchung der Hochtemperatur-Superleitfähigkeit gelegt.
"Unser Beitrag ist wahrscheinlich ein 'Ziegel hinzugefügt'", sagt das Team, dass die Studie zum ersten Mal ein "sauberes System" und eine "feine Regulierung" unter den Grenzen einer einzigen Kupfersauerstofffläche erreicht hat, was eine experimentelle Plattform mit "kontrollierbaren Variablen" bietet, die es den Forschern ermöglicht, den vollständigen Transformationsweg von Null zu Null, von schwach zu stark, systematisch zu verfolgen.
Fast vier Jahrzehnte seit der Entdeckung von Hochtemperatur-Superleitfähigkeit im Jahr 1986 ist der Mechanismus noch nicht vollständig geknackt, aber jedes Mal, wenn man sich den "Grenzbedingungen" nähert, ist das Material dünner, reiner und kontrollierbarer, ein zusätzlicher Ziegelstein, der die Grenze der Antwort noch einen Schritt tiefer treibt.
Als nächster Schritt wird sich das Team weiterhin auf wichtige Probleme im Bereich der Hochtemperatur-Superleitfähigkeit konzentrieren und leistungsstarkere Hochtemperatur-Superleiter erforschen. Bewältigen Sie die wichtigsten Herausforderungen im Prozess der Vorbereitung von Materialgeräten und der Messung von Materialeigenschaften und fördern Sie kontinuierlich die Forschung in Richtungen wie neue zweidimensionale Quantenmaterialien.
Prof. Zhang Yuanba, Prof. Nguyen Wei und Prof. Chen Xianhui von der Fachhochschule für Physik der Fudan-Universität sind Co-Kommunikationsautoren der Arbeit. Zu den Forschungseinheiten gehören Fudan University, Chinese University of Science and Technology, British Columbia University, Zhejiang University, People's University of China, Shanghai Jiaotong University, Institut für Physik der chinesischen Akademie der Wissenschaften, Weizmann Institute of Science und Tsinghua University. Diese Forschung wurde von Projekten und Einheiten wie dem Nationalen Schwerpunkt-Forschungs- und Entwicklungsprogramm des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie, dem Grunddisziplin- und interdisziplinären Durchbruchsprogramm des Ministeriums für Bildung, dem Original-Explorationsprogramm des Nationalen Naturwissenschaftlichen Fonds, dem Großprojekt des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie, dem Shanghai City Science and Technology Committee und der New Cornerstone Science Foundation unterstützt.
