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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置助力鎳基高溫超導(dǎo)研究取得新進(jìn)展

鐠摻雜的雙鎳氧層鈣鈦礦材料高壓四方相中實(shí)現(xiàn)塊體高溫超導(dǎo)電性

2024-10-03 物理研究所

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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。去年，我國學(xué)者發(fā)現(xiàn)La₃Ni₂O₇單晶在高壓下具有T_c??80K的高溫超導(dǎo)電性的跡象，掀起了鎳基高溫超導(dǎo)的研究熱潮。隨后，我國學(xué)者在La₃Ni₂O₇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(shí)驗(yàn)證據(jù)仍然缺乏。此外，實(shí)驗(yàn)研究顯示La₃Ni₂O₇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La₃Ni₂O₇中高溫超導(dǎo)電性的起源以及能否實(shí)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。

針對上述關(guān)鍵科學(xué)問題，該團(tuán)隊(duì)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，采用離子半徑較小的Pr部分替代La成功抑制了La₃Ni₂O₇中不同鎳氧化物共生和內(nèi)頂角氧空位等問題，制備了單相性良好的具有雙鎳氧層結(jié)構(gòu)的La₂PrNi₂O₇多晶樣品，并在該樣品中同時(shí)觀測到零電阻（T_c^onset?= 82.5K，T_c^zero?= 60K）和完全抗磁性（超導(dǎo)屏蔽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到97%）。該研究結(jié)果表明鎳基高溫超導(dǎo)電性起源于雙鎳氧層鈣鈦礦相，并揭示微觀結(jié)構(gòu)無序?qū)a₃Ni₂O₇中高溫超導(dǎo)電性的不利影響。這一工作對于鎳基高溫超導(dǎo)材料的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)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。

在該項(xiàng)研究中，SECUF的A2-六面砧高壓實(shí)驗(yàn)站和A6-強(qiáng)磁場核磁共振實(shí)驗(yàn)站發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，A2實(shí)驗(yàn)站提供的大腔體多砧高靜水壓物性測量技術(shù)，能在最大程度上保證壓力的各向同性和均勻性，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(shí)現(xiàn)零電阻的難題。 A6實(shí)驗(yàn)站的核四極矩共振（NQR）測量技術(shù)，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。

SECUF是國家“十二五”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(shí)驗(yàn)裝置，可極大提升我國在物質(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(shí)力。SECUF（北京部分）于2017年開始動工，2023年初全面投入試運(yùn)行，20個(gè)實(shí)驗(yàn)站對國內(nèi)外用戶開放。目前，SECUF提供的高壓、低溫和磁場等極端實(shí)驗(yàn)條件已助力用戶在La₃Ni₂O₇單晶和La₄Ni₃O₁₀單晶中相繼發(fā)現(xiàn)了高壓誘導(dǎo)的高溫超導(dǎo)電性，相關(guān)成果發(fā)表在《自然》雜志上（Nature 621,493 (2023)；Nature 631,531 (2024)）。未來，SECUF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，期待更多重要成果的涌現(xiàn)。

論文鏈接

綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的六面砧高壓實(shí)驗(yàn)站和強(qiáng)磁場核磁共振實(shí)驗(yàn)站的實(shí)物照片，以及La₂PrNi₂O₇多晶樣品的高壓結(jié)構(gòu)演化和超導(dǎo)相圖。

近日，綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置（SECUF）的程金光團(tuán)隊(duì)和周睿團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，在鎳基高溫超導(dǎo)體的研究中取得了重要進(jìn)展。他們充分發(fā)揮SECUF獨(dú)特實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)的優(yōu)勢，在La2PrNi2O7多晶樣品中同時(shí)提供了高壓下實(shí)現(xiàn)塊體高溫超導(dǎo)電性的兩個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)，即零電阻和完全抗磁性，澄清了目前La3Ni2O7中高溫超導(dǎo)電性起源和體超導(dǎo)的爭議問題，并揭示了微觀結(jié)構(gòu)無序?qū)Ω邷爻瑢?dǎo)電性的不利影響。相關(guān)成果以《La2PrNi2O7高壓四方相的塊體高溫超導(dǎo)電性》為題，發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。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。去年，我國學(xué)者發(fā)現(xiàn)La3Ni2O7單晶在高壓下具有Tc ??80K的高溫超導(dǎo)電性的跡象，掀起了鎳基高溫超導(dǎo)的研究熱潮。隨后，我國學(xué)者在La3Ni2O7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(shí)驗(yàn)證據(jù)仍然缺乏。此外，實(shí)驗(yàn)研究顯示La3Ni2O7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La3Ni2O7中高溫超導(dǎo)電性的起源以及能否實(shí)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。針對上述關(guān)鍵科學(xué)問題，該團(tuán)隊(duì)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，采用離子半徑較小的Pr部分替代La成功抑制了La3Ni2O7中不同鎳氧化物共生和內(nèi)頂角氧空位等問題，制備了單相性良好的具有雙鎳氧層結(jié)構(gòu)的La2PrNi2O7多晶樣品，并在該樣品中同時(shí)觀測到零電阻（Tconset?= 82.5K，Tczero?= 60K）和完全抗磁性（超導(dǎo)屏蔽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到97%）。該研究結(jié)果表明鎳基高溫超導(dǎo)電性起源于雙鎳氧層鈣鈦礦相，并揭示微觀結(jié)構(gòu)無序?qū)a3Ni2O7中高溫超導(dǎo)電性的不利影響。這一工作對于鎳基高溫超導(dǎo)材料的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)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。在該項(xiàng)研究中，SECUF的A2-六面砧高壓實(shí)驗(yàn)站和A6-強(qiáng)磁場核磁共振實(shí)驗(yàn)站發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，A2實(shí)驗(yàn)站提供的大腔體多砧高靜水壓物性測量技術(shù)，能在最大程度上保證壓力的各向同性和均勻性，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(shí)現(xiàn)零電阻的難題。 A6實(shí)驗(yàn)站的核四極矩共振（NQR）測量技術(shù)，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。SECUF是國家“十二五”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(shí)驗(yàn)裝置，可極大提升我國在物質(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(shí)力。SECUF（北京部分）于2017年開始動工，2023年初全面投入試運(yùn)行，20個(gè)實(shí)驗(yàn)站對國內(nèi)外用戶開放。目前，SECUF提供的高壓、低溫和磁場等極端實(shí)驗(yàn)條件已助力用戶在La3Ni2O7單晶和La4Ni3O10單晶中相繼發(fā)現(xiàn)了高壓誘導(dǎo)的高溫超導(dǎo)電性，相關(guān)成果發(fā)表在《自然》雜志上（Nature 621,493 (2023)；Nature 631,531 (2024)）。未來，SECUF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，期待更多重要成果的涌現(xiàn)。論文鏈接綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的六面砧高壓實(shí)驗(yàn)站和強(qiáng)磁場核磁共振實(shí)驗(yàn)站的實(shí)物照片，以及La2PrNi2O7多晶樣品的高壓結(jié)構(gòu)演化和超導(dǎo)相圖。

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