08,12,2026 2vistas
【Noticias de investigación y desarrollo de la red de instrumentos] la Superconductividad de alta temperatura es una dirección importante para la transmisión de energía de alta eficiencia y el desarrollo de dispositivos electrónicos de alto rendimiento en el futuro, pero su mecanismo microscópico siempre ha sido el "misterio de la corona" de la física de la materia condensada.
En la noche del 12 de agosto, hora de beijing, el equipo del profesor Zhang yuanbo del Departamento de física de la Universidad de Fudan y sus colaboradores publicaron los resultados de la investigación en Nature bajo el título "superproducting 2d culprate with a single cuošplane", adelgazando con éxito los superconductores de alta temperatura a base de cobre a solo un plano superconductor, es decir, una sola superficie cuoš.
Esta "operación límite" no solo confirma la esencia bidimensional de la Superconductividad de alta temperatura, sino que también encuentra extraños "estados metálicos anormales" y fenómenos críticos cuánticos en el punto crítico de la transformación de superconductores - aislantes, proporcionando una nueva plataforma experimental cuántica para el estudio del mecanismo de Superconductividad de alta temperatura.
Acercarse a los límites físicos: un salto de "doble capa" a "única capa"
Los superconductores son una clase de materiales con resistencia cero a una temperatura de transición específica y que muestran una resistencia completamente magnética. pueden ser ampliamente utilizados en la transmisión y almacenamiento de energía eléctrica, imágenes médicas, trenes de levitación magnética, Computación cuántica y otros campos, y tienen un importante valor de investigación científica y aplicación tecnológica.
En 1986, Johannes Bednorz (j. Georg bednorz) y Karl Alexander Miller (k. Alex müller) descubrieron el fenómeno de la Superconductividad a alta temperatura en óxidos de cobre de lantano - Ba - Cu - o, con temperaturas críticas de hasta 30 K ("k" es la unidad de temperatura termodinámica "kelvin", 30 k = - 243,15 ° c "), un resultado que ganó el Premio Nobel de física 1987. Desde entonces, los científicos han llevado a cabo investigaciones en profundidad sobre superconductores de alta temperatura a base de cobre y han desarrollado docenas de sistemas de materiales. Aunque estos superconductores de alta temperatura a base de cobre son diferentes en composición química y temperatura crítica superconductora, todos tienen una característica común: la Superconductividad nació en un plano bidimensional de cobre y oxígeno de grado atómico extremadamente delgado.
Sin embargo, según la teoría tradicional de la física, en el mundo bidimensional, obtener un "estado ordenado" como la Superconductividad es muy inestable y fácil de destruir por fluctuaciones térmicas. ¿¿ por qué la Superconductividad de alta temperatura puede existir de manera estable en una superficie bidimensional de cobre y oxígeno? Esta es la clave para comprender el mecanismo de Superconductividad de alta temperatura.
Para enfrentar este problema, la estrategia más directa es hacer que el material sea lo más delgado posible, o incluso reducirlo al espesor del nivel atómico, para observar los cambios en la superconductividad. Sin embargo, la capa atómica de óxido de cobre es extremadamente frágil, vulnerable a la influencia del aire y los procesos de procesamiento, y el contenido de oxígeno es difícil de estabilizar y controlar con precisión, lo que plantea grandes desafíos para la preparación y medición de materiales que mantienen sus propias propiedades.
En 2019, el equipo de Zhang yuanbo y sus colaboradores prepararon una sola capa de bi2sr2cacu2o8 + Delta y proporcionaron por primera vez evidencia experimental directa de que los superconductores de base de cobre de una sola capa bajo el límite bidimensional tienen las mismas características superconductoras que los superconductores de base de cobre a granel, revelando la esencia bidimensional de la Superconductividad de Alta temperatura, y los resultados de la investigación se publicaron en nature. Esta vez, el equipo fue más allá y, sobre la base de la investigación preliminar, preparó con éxito un superconductor de óxido de cobre bidimensional límite que solo contenía una sola superficie cuo, una sola capa bi2sr2cuo6 + Delta (bi2201).
"Por primera vez, hemos avanzado el espesor del óxido de cobre de una capa doble a una estructura verdaderamente de una sola capa, logrando una verificación límite de las propiedades superconductoras del óxido de cobre. los datos medidos apoyan fuertemente la idea de que la Superconductividad de alta temperatura del óxido de cobre es un fenómeno bidimensional fuerte, proporcionando evidencia experimental clave para esta hipótesis a largo plazo", dijo Zhang yuanbo.
Investigación y desarrollo independientes para crear un arma de investigación científica de "regulación in situ"
Para preparar y medir un plano bidimensional de grado atómico extremadamente delgado, es necesario superar varias dificultades experimentales, como la fragilidad de los materiales, la vulnerabilidad al aire y los procesos de procesamiento, y la dificultad de estabilizar y controlar el contenido de oxígeno. Frente al dilema de la falta de equipos especiales en el mercado, el Grupo de investigación de Zhang yuanbo se embarcó en un camino de investigación y desarrollo independientes de instrumentos.
El equipo completó el escote de la muestra y la preparación del dispositivo en un ambiente de baja temperatura en una atmósfera inerte, combinado con la soldadura en frío de microelectrodos, resolviendo el problema de que los óxidos de cobre de una sola capa son fácilmente dañados por el aire y el vapor de agua. Más importante aún, el equipo ha desarrollado una tecnología de control de dopaje con gran precisión, logrando un ajuste reversible del contenido de oxígeno.
"Mientras medimos, ajustamos con precisión el contenido de oxígeno del material controlando la concentración y temperatura del ozono", presentó Ruan wei, uno de los autores de la comunicación y profesor del Departamento de física de la Universidad de fudan. Con esta tecnología de "regulación in situ", el equipo logró una resolución de dopaje de hasta Delta P ¿ 00005, lo que permitió observar un mapa de fase física completo desde la fase aislada de Mott hasta toda la cúpula superconductora.
Basándose en instrumentos experimentales de vanguardia y tecnologías innovadoras, encontraron que la temperatura óptima de transición superconductora de un material de una sola capa se reduce en aproximadamente un 10% en comparación con el bloque, lo que indica que el espesor realmente afecta la temperatura superconductora. Pero al mismo tiempo, los materiales de una sola capa conservan completamente las características del sistema asociado de los materiales a granel, lo que demuestra que, aunque la reducción del espesor afectará la temperatura de transición superconductora, las propiedades físicas centrales de los óxidos de cobre todavía se presentan intactas en una sola superficie cuo, lo que también proporciona una verificación clave de las propiedades superconductoras bajo límites bidimensionales.
Aprovechando la alta precisión y la controlabilidad de la zona extremadamente subdopado, el equipo redujo aún más la temperatura a unos 100 mk, exploró en profundidad la zona crítica cuántica de los aislantes superconductores y logró descubrimientos inesperados. El equipo observó un peculiar fenómeno de criticidad cuántica en una sola capa bi - 2201: a medida que la temperatura bajaba, el comportamiento de escala universal cerca del punto crítico cuántico tradicional falla, reemplazado por su índice crítico efectivo que se divergía rápidamente a medida que se acercaba a la zona crítica, mostrando una singularidad típica de Griffith cuántico.
Más importante aún, bajo el límite de temperatura cero, apareció un Estado metálico anormal entre la Superconductividad y el aislamiento, y su resistencia se saturó a baja temperatura en un valor limitado. Este Estado metálico anómalo se puede obtener tanto reduciendo el dopaje de agujeros como aplicando un campo magnético vertical adicional. Este descubrimiento coincide con la imagen del metal bose: la Superconductividad de alta temperatura surge a través de la transición cuántica de fase de un sistema Bose bidimensional sin brecha incompetente y sin superflujo.
Este descubrimiento no solo revela el efecto de dimensión real en una sola superficie cuo, sino que también proporciona una plataforma experimental bidimensional altamente ajustable y de excelente calidad para el estudio de fenómenos críticos cuánticos y Estados metálicos anormales.
Continuar "contribuyendo ladrillos y azulejos" al campo de la Superconductividad de alta temperatura
Anclar los problemas centrales y superar las dificultades en unos años, esta exploración constante y profunda es una característica distintiva del equipo de Zhang yuanbo. Los resultados no solo empujan la Superconductividad de alta temperatura al límite real de una sola capa, sino que también descubren nuevos fenómenos que no se han observado antes, y también sientan una base sólida para el estudio del mecanismo de Superconductividad de alta temperatura.
"Se puede decir que nuestra contribución es' agregar un ladrillo 'al campo", dijo el equipo, que dijo que por primera vez, el estudio logró un "sistema limpio" y una "regulación fina" simultáneamente bajo el límite de una sola superficie de cobre y oxígeno, lo que equivale a proporcionar una plataforma experimental de "variables controlables" para que los investigadores puedan rastrear sistemáticamente el camino completo de transformación de la Superconductividad de cero, de débil a Fuerte.
Han pasado casi cuarenta años desde que se descubrió la Superconductividad de alta temperatura en 1986, y el mecanismo aún no se ha descifrado por completo, pero cada aproximación a las "condiciones límite", los materiales más delgados, puros y controlables, son ladrillos y azulejos que empujan los límites de la respuesta un paso más hacia las profundidades.
A continuación, el equipo continuará centrándose en los principales problemas en el campo de la Superconductividad de alta temperatura y explorará superconductores de alta temperatura de mayor rendimiento; Superar los problemas clave en el proceso de preparación de dispositivos de materiales y la medición de las propiedades físicas, y seguir promoviendo la investigación de nuevos materiales cuánticos bidimensionales y otras direcciones.
El profesor Zhang yuanbo, el Profesor Ruan Wei y el Profesor Chen XianHui de la Universidad de Ciencia y tecnología de China son los corresponsales de la tesis. Las unidades de cooperación de investigación incluyen la Universidad de fudan, la Universidad de Ciencia y tecnología de china, la Universidad de Columbia británica, la Universidad de zhejiang, la Universidad Renmin de china, la Universidad Jiaotong de shanghai, el Instituto de física de la Academia China de ciencias, la Academia Weizmann de Ciencias y la Universidad de tsinghua. Este estudio cuenta con el apoyo del plan nacional clave de I + D del Ministerio de Ciencia y tecnología, el plan de avance de disciplinas básicas e interdisciplinarias del Ministerio de educación, el plan de exploración original de la Fundación Nacional de ciencias naturales de china, los principales proyectos del Ministerio de Ciencia y tecnología, la Comisión de Ciencia y tecnología de shanghai, La Fundación de Ciencia de nueva piedra angular y otros proyectos y posiciones individuales.
