大科学装置立功！我国科学家实现超导材料新突破
发布时间：2024-10-10
信息来源：怀柔科学城微信公众号
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发布时间：2024-10-10
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有时候，伟大的科学发现就藏在那些意想不到的地方。比如，一块用肉眼几乎看不见的小小晶体。
最近，浙江大学的曹光旱团队经过大量实验，率先制备出新型铬基笼目结构CsCr3Sb5单晶，并与中国科学院物理研究所的程金光团队和周睿团队合作，在怀柔科学城大科学装置的支持下测量出了该材料的多种物理性质，尤其是发现了“非常规超导电性”——这不仅为超导体研究带来了新的希望，也为量子计算和超导磁悬浮列车等尖端技术的应用找到了可能的新路径。
而在这个发现的背后，有一个关键的角色——怀柔科学城的综合极端条件实验装置（SECUF）。正是它，为研究团队提供了精密的实验条件，使得这一突破成为可能。让我们一同走进这项发现背后的故事，探索科学家如何通过这一神奇的装置，解锁超导材料的秘密。
全新超导体神秘莫测
超导体到底是什么？简单来说，超导体就是一种能让电阻完全消失的材料，这意味着电流可以在其中无损耗地流动。
中国科学院物理研究所研究员程金光介绍，如果超导材料广泛应用，能源浪费问题将会大大减少，电力传输效率也会达到前所未有的水平，并且会产生很多颠覆性应用，例如紧凑型可控核聚变、量子计算机等，有望在未来能源和信息等领域带来变革。
同时，超导体也存在应用局限性，它需要在极端低温的条件下才能发挥作用。理解非常规超导现象，以找到更实用的超导材料，科学家们把目光投向了一种特殊的几何结构材料——笼目晶格。“笼目”的本意是一种传统竹编图案，其特殊结构会让电子在其中“跳舞”，产生各种奇特的量子现象，包括科学家不懈探求的超导性。
在过去的研究中，科学家们已经在钒基笼目材料中观察到了一些超导现象，但这些材料的电子之间关联较弱，没能达到理论预期的强关联超导效果。直到最近，浙江大学的曹光旱团队制备出了一种全新的材料——铬基笼目结构CsCr3Sb5单晶。
与之前的材料相比，铬基材料不仅在高压条件下表现出了超导性，还具有强烈的电子关联和磁性特征。这意味着这个新材料内部发生的“电子舞蹈”更为复杂，可能隐藏着一些我们尚未完全理解的非常规超导现象。
但问题是，这种材料极其脆弱——它的厚度仅有头发丝直径的三分之一，单晶样品合成也非常困难，即使经过几个月的反复生长，能够合成的样品量也不到0.1mg。在这种情况下，传统的实验手段根本无法精确测量它的物理特性。为了探究这种神秘的材料，科学家们需要依靠一个能够模拟极端环境的实验平台，这就是怀柔科学城的“超级神器”——SECUF。
用“魔法”验出材料极限性能
SECUF就像是一个魔法实验箱，能够创造出极低温、超高压、强磁场、超快光场等极端条件，以便破解前沿材料内部的奥秘。程金光介绍，在这项研究中，SECUF的A6实验站和A2实验站发挥了关键作用。
A6实验站的超导磁体核磁共振系统，用高达25T的强磁场，对铬基笼目材料进行了超精细的测量，测试效率大大提升，研究人员成功捕捉到了该材料在55K时发生的“磁相变”现象。这一发现为理解材料的超导行为提供了重要线索。
与此同时，A2实验站的大腔体六面顶高压测量系统则为高压低温环境下的电阻和磁化率测量提供了精确的实验条件。通过在0至12GPa的压力范围内的实验测量，研究人员首次在笼目晶格材料中发现了压制磁相变后的“超导穹顶”现象。这意味着在特定压力范围内，材料的超导性能达到了顶峰。
在铬基笼目金属中，研究人员在3.65—8GPa的压力范围内发现了超导穹顶现象，超导转变温度最高达到了6.4K。而当压力超过10GPa时，材料的超导性完全消失。这一现象不仅揭示了铬基材料的独特超导行为，也为探索非常规超导体的机理提供了新的线索。
铬基笼目超导体的发现背后，怀柔科学城实验装置SECUF扮演了关键角色。作为国家“十二五”重大科技基础设施项目之一，自2023年全面投入运行以来，SECUF的20个实验站向全球科学家开放。随着SECUF等更多科技基础设施不断发展完善，未来将有更多世界顶尖的科研成果在这里诞生。
目前，怀柔科学城已布局37个科技设施平台项目，并持续布局和谋划一批新的科技基础设施，进入建设和运行、产出并重的重要阶段。创新为翼，怀柔科学城正在加速崛起。
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