闻海虎教授团队发现无毒的铜氧化物超导体具有最高的不可逆磁场

2018-10-11   总浏览:

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超导体的一个重要性质是无损耗地承载很大电流,因此利用超导磁体能够产生超强磁场。这个性质可以应用在国防,医疗,受控核聚变,高能加速器和新一代磁悬浮轨道交通等方面。在超导体的磁场和温度相图上,有一个标识无损耗传输电流的边界线叫不可逆线 Hirr(T),只有在不可逆线以下的温度和磁场,超导体才可以承载一定的超导电流。通常不可逆磁场越高,该超导体在强磁场下承载无损耗电流的能力就越强,并有一个更好的应用预期。

超导体只能在其临界温度Tc以下才能够进入超导态,因此要实现超导的应用就需要临界温度较高的超导体。液氮的沸点温度是77.3K,是容易制造而且成本低廉的制冷剂。因此发现临界温度在液氮温度之上并且具有高的不可逆磁场的超导体对于超导大规模应用至关重要。铜氧化合物超导体家族中就有很多超导体的临界温度超过液氮温度,如Y-系(123, Tc ≈ 90K), Bi-系 (2223, Tc≈110K), Tl-系(2223, Tc ≈ 125K)和Hg-系 (1234,Tc ≈ 124K)等。但是后两者含有毒性元素铊和汞,而且液氮温区的不可逆磁场似乎不高。Bi-系尽管没有毒性,但是因为具有太强二维性,在磁场下的超导临界电流下降很快,不可逆磁场很低,因此也无法在液氮温度下实现强电应用。Y-系超导体钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-d,简称YBCO)的临界温度超过液氮温度,不可逆磁场也较高,因此人们目前把液氮温区大规模应用的期望放在YBCO身上;但是由于其较短的相干长度,制备出长导线极其困难,到目前为止仍然没有实现大规模应用。超导学界迫切需要寻找到超导临界温度在液氮温度以上,且不可逆磁场更高的无毒性超导体,以便实现更好的应用。

南京大学物理学院的闻海虎教授团队,利用高温高压合成技术,制备了一种无毒性的铜氧化合物超导体(Cu,C)Ba2Ca3Cu4O11+d,其临界温度约为116 K。仔细的电阻和磁化性质测量表明该超导体在液氮温度及以上的温区具有迄今为止最高的不可逆磁场,因此可能带来更好的应用。该工作于2018年9月28日在线发表在Science Advances 4, eaau0192(2018)。

该工作的起源是基于他们多年来对铜氧化物超导体不可逆磁场和临界电流问题的深入研究和认识。如前面所说,很多临界温度超过100K的超导体都具有毒性元素,因此怎样用无毒性元素替换掉这些毒性元素,同时使得不可逆磁场仍然较高,这是他们最近几年特别关注的方向。这使得他们回溯到1995年左右,国际学术界曾经有过这方面的初步探索,但是当时对超导体的成分表达式没有统一认识,另外也没有对不可逆线进行系统的研究。该小组利用高温高压合成手段,成功制备出体积含量在90%以上的(Cu,C)Ba2Ca3Cu4O11+d超导体,确认了分子式和结构。他们对该超导体仔细进行了磁场下的电阻和磁化测量,确定了其不可逆线。图1显示了该超导体的电阻在不同磁场下随温度的变化关系。可以看出, 即便在15特斯拉的强磁场下,在80K电阻仍然很小(降到仪器噪音范围内)。他们发现部分样品的不可逆磁场会更高。因为这里的电阻消失行为还主要是多晶之间的超导弱连接所决定,因此进一步改善弱连接,该类超导体的不可逆磁场还会继续升高。

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图1. (Cu,C)Ba2Ca3Cu4O11+d超导体的电阻率在不同磁场下随温度的依赖关系。A. 电阻率随温度的变化关系,其插图显示的是在外磁场为10Oe下测量的磁化随温度的变化关系, ZFC表示用零磁场下冷却样品到低温然后加磁场的方式测量到的磁化数据,反映完全抗磁性;FC表示的是有场冷却测量模式。B. 显示的是A主图中同样的数据,电阻率以对数形式画出。可见无论磁化还是电阻都在116K左右出现剧烈下降,样品开始进入超导态。

利用超导转变附近正常态电阻1%的判据,他们确定了该超导体的不可逆磁场,数据画在图2中,见黑色方块和红色菱形数据点。同时画在图中的还有其他铜氧化物超导体的多晶样品或薄膜/单晶样品(磁场平行于c轴)的数据。可见(Cu,C)Ba2Ca3Cu4O11+d超导体在液氮温区直至116K具有最高的不可逆磁场。图中的蓝色斜线标示的区域是在钇钡铜氧(YBCO)超导体不可逆线基础上的进一步提高。可以看出,无论是超导临界温度还是不可逆磁场都有明显的提高。该工作一经在国际学术网站上贴出,即受到广泛的关注。Science Advances的三位评审人都给予了高度评价,认为这是本领域的一个巨大的成果(huge result)和显著进展(significant advance),有可能会激发起铜氧化物超导体应用研究的新高潮并最终导致大规模的应用。

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