能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家已经制造出第一种显示出超导电性的明显镍氧化物材料 - 能够无损地传输电流。

也被称为镍酸盐，它是潜在的非常规超导体新系列中的第一个，与铜氧化物或铜酸盐非常相似，1986年的发现使人们希望有朝一日超导体可以在接近室温的条件下运行并彻底改变电子设备，电源传输和其他技术。这些相似之处让科学家们想知道镍酸盐是否也能在相对较高的温度下超导。

与此同时，新材料在基本方面似乎与铜酸盐不同 - 例如，它可能不包含所有超导铜酸盐所具有的磁性 - 这可能推翻这些非传统超导体如何工作的主要理论。经过三十多年的研究，没有人把它固定下来。

这些实验由SLAC的斯坦福材料与能源科学研究所的博士后研究员Danfeng Li领导，今天在自然界中进行了描述。

“这是一个非常重要的发现，需要我们重新思考电子结构的细节和这些材料中超导的可能机制，”不列颠哥伦比亚大学物理和化学教授乔治·萨瓦茨基说。研究但写了一篇评论，附有自然界的论文。“这将导致很多人开始研究这类新材料，各种实验和理论工作都将完成。”

为了制造一种新型的超导材料，SLAC和斯坦福大学的科学家首先制作了一种薄膜，称为钙钛矿，左边是钙质岩。用锶“掺杂”它; 然后将它暴露在一种化学物质中，这种化学物质会吸出一层氧原子，就像从Jenga块的塔中取出一根棍子一样。这使得电影翻转成一种称为镍酸盐的不同原子结构。试验表明，这种镍酸盐可以在没有电阻的情况下导电。图片来源：Danfeng Li / SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学

艰难的道路

自从发现铜酸盐超导体以来，科学家们一直梦想着制造基于镍的类似氧化物材料，这种材料紧邻元素周期表中的铜。

但是制造具有有利于超导性的原子结构的镍酸盐却出乎意料地难以实现。

“据我们所知，我们试图生产的镍酸盐在非常高的温度下不稳定 - 大约600摄氏度 - 这些材料通常都会生长，”李说。“因此，我们需要从可以在高温下稳定生长的东西开始，然后在较低温度下将其转化为我们想要的形状。”

他开始使用钙钛矿 - 一种由其独特的双金字塔原子结构定义的材料 - 含有钕，镍和氧。然后他通过添加锶掺杂钙钛矿; 这是一种常见的过程，可以将化学物质添加到材料中，使更多的电子自由流动。

李说，这会从镍原子中偷走电子，留下空洞的“空洞”，而镍原子并不高兴。这种材料现在不稳定，使得下一步在表面上生长出一层薄膜 - 真的很有挑战性; 他花了半年的时间才开始工作。

'Jenga化学'

一旦完成，李将薄膜切成小块，松散地用铝箔包裹，然后用化学试剂将其密封在一个试管中，该化学试剂整齐地抢走了一层氧原子 - 就像从摇摇欲坠的塔中取出一根棍子一样。 Jenga块。这将薄膜翻转成一种全新的原子结构 - 锶掺杂的镍酸盐。

“之前已经证明了这些步骤中的每一步，”李说，“但不是这种组合。”

他记得实验室的确切时刻，大约凌晨2点，当测试表明掺杂的镍酸盐可能是超导的。李非常兴奋，他整夜熬夜，并在早上加入了他的研究小组的定期会议，向他们展示他发现了什么。很快，许多小组成员与他一起全天候地努力改进和研究这些材料。

进一步的测试表明，镍酸盐在9-15开尔文的温度范围内确实是超导的 - 非常冷，但是第一次开始，可能会有更高的温度。

更多工作要做

对新材料的研究处于“非常非常早期的阶段，并且还有很多工作要做”，SIMES研究员，SLAC教授和斯坦福大学以及该报告的高级作者Harold Hwang警告说。“我们刚刚看到了第一个基本实验，现在我们需要进行一系列仍在进行的铜酸盐调查。”

他说，除其他事项外，科学家们希望以各种方式掺杂镍酸盐材料，以了解它如何影响其在一系列温度范围内的超导性，并确定其他镍酸盐是否可以变成超导体。其他研究将探讨材料的磁性结构及其与超导性的关系。