新型层状钴基硒氧化物超导体研究取得新进展。

2024-03-23 生活常识 关注公众号
超导研究是凝聚态物理领域中最引人注目的研究方向之一。它源于超导材料在电力能源和强磁场方面的优势。探索新型非常规超导材料,能为建立新的超导统一理论提供必要的参考素材,有助于我们发现具有更高超导转变温度的新超导体。这类非常规超导电性主要发生在低维材料体系中,特别是铜氧化合物和铁基高温超导体中。铜氧八面体配位或铁砷四面体配位,作为超导“基因”,但内在的超导机制仍未解决。期待在未来的研究中找到新型非常规(高温)超导材料,以便最终解决超导产生之谜。

超导研究是凝聚态物理领域中最引人注目的研究方向之一

,不仅体现在超导体系的多样性为基础研究提供了丰富的研究对象,也归因于超导材料在电力能源和强磁场等方面具有其他功能材料无法取代的优势。

相对于常规的超导材料,非常规超导电性的出现打破了经典BCS超导理论的制约

。非常规超导材料中观察到的高

T

、d波(

s±波、

p波)配对、相图中超导相与结构和磁性的关联等,凸显了经典超导理论的危机,又为新的超导图像的建立提供了契机。

探索新型非常规超导材料,能为建立新的超导统一理论提供必不可少的参考素材,更有助于我们发现具有更高超导转变温度的新超导体。

大量研究工作表明,这类非常规超导电性主要发生在低维材料体系中

。现有的高温超导材料,不但大多具有准二维结构,而且表现出超导与磁性之间的紧密关联。在铜氧化合物和铁基高温超导体中,超交换的反铁磁耦合是高温超导电性出现的主要诱因。

产生这种反铁磁耦合的晶体结构单元是铜氧八面体配位或铁砷四面体配位,这些可以被当作超导“基因”

;但是,其内在的超导机制仍未解决。因此,人们希望在铜、铁基超导体之外再找到新型非常规(高温)超导材料,从一个全新的角度去探究非常规超导机制,从而最终解决这个超导产生之谜。

图1. Na

2

CoSe

2

O的晶体结构示意图。(a) Na

2

CoSe

2

O沿a

轴方向的结构。黄色、红色、蓝色和黑色球体分别代表Na、O、Co和Se原子。(b) [Na

2

O]层和[CoSe

2

]层的结构。(c) 单个Na

6

O八面体和CoSe

6

八面体的结构。

在2008年初铁基超导体被报道之后,人们随即对

钴等3

d过渡金属的层状磷族或硫族化合物进行了大量的研究,以探索它们可能的超导性

。因为钴靠近铁,只比铁多一个电子,而且具有与铁基化合物相似的晶体结构和费米面。令人遗憾的是,人们还没有在钴砷/钴硒这类材料体系中发现超导。

迄今为止,还是在20年前,

日本科学家在水合层状钴酸盐Na

xCoO

2

⋅yH

2

O中发现转变温度为5K左右的超导电性

,其中钴离子(

S=1/2)位于三角晶格格点上,是最简单的阻挫体系。这种二维三角晶格[CoO

2

]层的超导电性引起了人们的广泛关注,因为它可以稳定新奇的共振价键态(resonating valence bond, RVB),这在二维四方晶格,比如铜氧化合物中是很难实现的。近期,理论上也提出了该材料可能具有手性

d波拓扑超导态。

这种强关联和阻挫特征,使该材料成为迄今为止发现的最奇特的超导体

。然而,到目前为止,实现高质量的Na

xCoO

2

⋅yH

2

O样品仍然是一个巨大的挑战,其中超导只发生在低Na含量区域,并且当水掺入其结构时。

控制Na和水的含量是制约获得单相具有良好超导性能的Na

xCoO

2

⋅yH

2

O的关键因素

。此外,这种化合物在环境温度和湿度下的化学性质不稳定,这使得它的处理和表征比较困难。由于缺乏良好的可重复性和可靠的实验结果,这种材料的超导性质仍然存在争议。因此,探索具有类似结构的新型钴基超导体也将加深我们对水合钴酸钠超导体的理解。

图2. Na

2

CoSe

2

O的超导电性和各向异性上临界场。(a) 零场下Na

2

CoSe

2

O的面内电阻率。左上插图:黑实线为

C

 < 

T

 < 40 K 区间的电阻拟合,

ρ

(

) = 

ρ

0

 

+ A

T

2

,右下插图:低温电阻率。(b) 

μ

0

 || 

c

 时,0 ~ 9 T磁场下的低温电阻率。(c) 

μ

0

 || ab 时,0 ~ 9T磁场下的低温电阻率。(d,e) 两个方向的上临界磁场

μ

0

(

)的温度依赖性,虚线为双带模型拟合。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室SC10组长期致力于各种新型超导材料的探索。近期,

在陈根富研究员的指导下,博士研究生程靖雯和白建利在 Na-Co-Se-O 四元体系中成功地合成了一种新的钴硒氧化合物,即Na

2

CoSe

2

O

。该化合物具有层状结构,由边缘共享的Na

6

O八面体和CoSe

6

八面体交替堆叠组成,其中Co原子形成二维三角晶格,类似于水合钴酸钠Na

xCoO

2

⋅yH

2

O,而CoSe

2

层代替[CoO

2

]层充当导电层,[Na

2

O] 层代替 [Na

x(H

2

O)

y] 的绝缘层,这是一种具有全新层状结构的新材料。

在该材料中,发现了转变温度

T

为 6.3K的超导电性,其中呈几何阻挫的CoSe

2层是超导发生的关键结构单元,就像铜氧化合物中的Cu-O面和铁基超导体中的Fe-As (Fe-Se)层一样

。尽管Na

2

CoSe

2

O的

T

相对较低,但却表现出极高且各向异性的超导上临界场

H

C2

(0),其中面内

H

C2

(0)高达41T,远远超过泡利顺磁极限3~4倍。磁化率和Hall效应的测试结果还表明体系中可能存在反铁磁自旋涨落和多带效应等;同时第一性原理计算的结果表明该材料可能还是一种少见的负电荷转移超导体。

图3. Na

2

CoSe

2

O的磁化率和霍尔系数。(a)5Oe下Na

2

CoSe

2

O的低温零场冷和场冷曲线,插图:1T磁场下的磁化率。(b)10 K ~ 150 K Na

2

CoSe

2

O的霍尔系数。插图:10 ~ 150 K之间的横向磁阻

ρ

xy

Na

2

CoSe

2

O与铜氧化物和铁基超导体有许多共同之处,如二维性、低载流子浓度、多能带、反铁磁自旋涨落以及极高的上限临界场,所有这些都指向Na

2

CoSe

2

O可能具有非常规的超导特性

。与铜氧化物和铁基超导体四方晶格相比,这个新的钴基三角格子阻挫体系,也显示出巨大的潜力,作为实现高

T

非常规超导的极具吸引力的候选者。

众所周知,

二维[CuO

2

]或[Fe

2

As

2

]导电层受到绝缘层(充当电荷库)的调制,是实现高

T

超导电性的关键

。在铜氧化物和铁基超导体中已经实现了各种类型的绝缘层。基于Na

2

CoSe

2

O中这种结构的灵活性,通过改变[Na

2

O]的绝缘层,可以设计出具有多种堆叠结构和高

T

的新型钴基超导体,为铜基和铁基超导体之外的3

d层状体系提供了新的研究平台,并为寻找3

d过渡金属化合物中的高

T

和非常规超导性开辟一个新方向。

图4. 通过DFT+

U

计算得到的Na

2

CoSe

2

O的能带结构和费米面。Na

2

CoSe

2

O的电子能带结构(左)和状态密度(右)。不同颜色代表不同原子/轨道的贡献。插图:Na

2

CoSe

2

O在第一布里渊区的费米面,其中标注了高对称点。

该成果以“Superconductivity in a layered cobalt oxychalcogenide Na

2

CoSe

2

O with a triangular lattice”为题发表在

J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 9, 5908–5915。中国科学院物理研究所超导国家重点实验室的陈根富研究员为该文章的通讯,物理研究所博士研究生程靖雯和博士生白建利为共同第一。该工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委和科技部项目的支持。

:雪影

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我国科学家在钠离子层状氧化物正极材料研究领域取得了显著突破

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中国科学家在钠离子层状氧化物正极材料研究上取得重要进展。研究成果发表在《科学》杂志上。 团队介绍黄建宇教授带领燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室团队,和中国科学院物理所、长三角物理研究中心研究团队展开合作,在《科学》杂志上发表相关成果,中国科学院物理研究所博士生杨佯、燕山大学博士毕业生王在发为论文第一作者。研究人员发现了水蒸气在劣化过程中的关键作用,并开发出一种标准化空气稳定性测试方法来评价材料的稳定性。研究人员发现,可以通过调整阳离子竞争系数和材料粒径大小来提升材料的抗酸能力和抗氧化能力。

生活常识 08.22
调节晶面:提升钠离子高熵层状氧化物的稳定性——一项进展研究

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度后,NCFMT和NCFMS表现出显著的相变现象,其中NCFMT样品表现出更好的稳定性。通过对比两者的实验数据,我们发现NCFMS和NCFMT具有良好的相变控制能力,并且能够有效地抑制晶格应变,从而最大化利用高熵效应来稳定材料结构。研究结果为新型N型钠离子电池的设计提供了新的可能性,并有望推动其更广泛的应用。

生活常识 10.01
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生活常识 04.15
法国媒体:抗肺癌研究取得重大突破,加速推进新疗法的发展

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步。在最新发布的LAURA和ADRIATIC两项研究中,奥希替尼证实了其对非小细胞肺癌的独特作用,尤其是在那些不能通过手术切除的小细胞肺癌患者中。奥希替尼的单层口服片剂为这一领域带来了革命性的突破,预计这种疗法在未来几个月内将继续引领非小细胞肺癌治疗的进步。吉拉尔教授对此表示赞赏,并称奥希替尼的成功表明了靶向疗法的强大潜力,未来这种疗法有望改变更多患者的治疗前景。这项新的研究成果无疑为乳腺癌和其他类型的癌症提供了新的治疗选择,体现了现代医学科技的力量。

生活常识 06.11
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生活常识 11.23
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生活常识 11.23
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该文本主要涉及两方面内容,一是关于血压检测的问题,二是关于左手臂血压异常的一些建议。主要内容可以概括为:“测血压时要注意左右臂的血压差别,如大于10mmHg,需就医确认病因。”

生活常识 11.23
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广东、广西、海南、香港等多地发生海水倒灌事件,导致地面低洼地带需涉水行走,部分民居成为“海景房”,车辆被腐蚀。这是由于今年第24号台风“万宜”和冷空气的影响所致。政府建立和完善监测预警体系,加强堤防提标工作,加固防御海水倒灌的第一道防线。此次事件提醒人们应对台风、风暴潮等极端天气保持警惕。

生活常识 11.23
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中芬双方达成协议,将在年内将旅芬大熊猫“华豹”“金宝宝”提前归国。中国已派出航班及饲养员前往芬兰接回2只熊猫。

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摩洛哥东北部鸽子洞发现的来自灌木属麻黄的浆果状球果中含有麻黄碱,一种能加速大脑和身体之间交流的强效兴奋剂。研究认为它们可能是当时石器时代的居民广泛使用的草药。麻黄碱的长期使用可能会导致癫痫发作。该发现揭示了植物在旧石器时代生活中的重要性,远早于农业文明出现之前。此外,麻黄碱还曾被用于治疗感冒和减少某些类型的出血。

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孩子们的问题,家长的答案:如何有效地与在线教育互动

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合肥市建平实验小学南艳分校开展了一场亲子默契测试活动,以考验父母对于孩子的理解和支持。活动现场,二年级(9)班通过创意的提示卡让学生自主找座位,并通过游戏规则引导家长寻找,家长们在互动中展现出了亲子间的默契与信任。通过此次活动,大多数家长都能准确地找到自己的孩子所在位置,充分体现了家庭教育的重要性。

生活常识 11.23
育儿小贴士:给孩子感冒了该吃什么?快速缓解咳嗽症状

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咳嗽是身体清除炎症分泌物和排除呼吸道里病原体的重要方式,但需警惕可能由哮喘、肺炎、气管异物等疾病引起。要判断咳嗽是否为必要就医项,则需要具备辨别能力,了解医生开具药物的原因。医生并非不可靠,可通过阅读相关科普文章、向医生询问等方式提高判断力。当前情况下,应尽量了解自身健康状况,增强判断能力。

生活常识 11.23
全球首例!「盐酸佐利替尼」肺癌脑转移治疗药物在中国获得批准上市!

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盐酸佐利替尼是基于表皮生长因子受体19号外显子缺失或21号外显子L858R突变的非小细胞肺癌新药,旨在用于脑转移病灶的治疗,并已在中国国家药品监督管理局获准上市。 2022年,晨泰医药宣布国际多中心2/3期临床研究项目EVEREST完成所有受试者访视,结果显示佐利替尼在治疗脑转移病灶和提高整体疗效方面表现出显著优势。2017年,晨泰医药与阿斯利康达成合作协议,共同开发针对肺癌脑转移的创新药物佐利替尼。

生活常识 11.23