合作團隊充分發揮綜合極端條件實驗裝置獨特實驗測量技術的優勢，在鐠摻雜的雙鎳氧層鈣鈦礦材料多晶樣品中，同時提供了高壓下實現塊體高溫超導電性的零電阻和完全抗磁性兩個關鍵實驗證據，澄清了目前鎳基高溫超導電性起源和體超導的爭議問題，并揭示出微觀結構無序對高溫超導電性的不利影響。
綜合極端條件實驗裝置的六面砧高壓實驗站和強磁場核磁共振實驗站的實物照片，以及鐠摻雜的雙鎳氧層鈣鈦礦材料多晶樣品的高壓結構演化和超導相圖。中國科學院物理研究所/供圖
高溫超導領域的這項重要研究進展成果論文，北京時間10月2日夜間在線發表于國際著名學術期刊《自然》。該研究工作對于鎳基高溫超導材料的進一步優化設計與合成具有重要指導作用，將推動鎳基高溫超導體的研究進程。
合作團隊介紹，高溫超導體由于在變革性技術方面具有巨大的應用前景而備受關注，發現新的高溫超導體系并揭示其物理機制是超導領域的研究前沿。2023年，中國學者發現雙鎳氧層鈣鈦礦材料單晶在高壓下具有高溫超導電性的跡象，掀起鎳基高溫超導的研究熱潮。隨后，中國學者在該體系中成功觀察到零電阻態，但關于其完全抗磁性的實驗證據仍然缺乏。
此外，實驗研究顯示雙鎳氧層鈣鈦礦材料單晶樣品由于穩定生長的氧壓范圍很窄，容易出現化學組分不均勻、內頂角氧空位以及多種鎳氧化物共存等問題，這造成目前關于雙鎳氧層鈣鈦礦材料中高溫超導電性的起源以及能否實現體超導態(完全抗磁性)等核心科學問題仍存在爭議，嚴重阻礙了鎳基高溫超導體的研究進程。
為此，研究團隊這次調整思路將研究對象轉向晶體質量更易控制的多晶樣品，成功制備出單相性良好的具有雙鎳氧層結構的鈣鈦礦材料多晶樣品，并在該樣品中同時觀測到零電阻和完全抗磁性。其研究結果表明，鎳基高溫超導電性起源于雙鎳氧層鈣鈦礦相。
在本項研究中，綜合極端條件實驗裝置的六面砧高壓實驗站和強磁場核磁共振實驗站發揮出關鍵作用。其中，六面砧實驗站提供的大腔體高靜水壓環境，有效克服了鎳基超導材料對非靜水壓環境異常敏感而無法實現零電阻的難題；強磁核磁共振實驗站提供了一種定量確定樣品中不同鎳氧化物相比例以及界面等微觀結構無序的方法。
據了解，綜合極端條件實驗裝置是中國國家重大科技基礎設施，已建成國際先進的集極低溫、超高壓、強磁場和超快光場等綜合極端條件為一體的用戶實驗裝置，可極大提升中國在物質科學及相關領域的基礎研究與應用基礎研究綜合實力。該大科學裝置(北京部分)于2017年開始動工，2023年初全面投入試運行，20個實驗站對中外用戶開放。
中國科學院物理研究所表示，綜合極端條件實驗裝置提供的高壓、低溫和磁場等極端實驗條件，目前已助力中國科研用戶在多種鎳氧層鈣鈦礦材料中相繼發現高壓誘導的高溫超導電性，未來將繼續為新型高溫超導材料的探索與機理研究提供重要支持。(完)
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