08,12,2026 1vues
【Flash recherche et développement de réseau d'instrumentsLa supraconductivité à haute température est une direction importante pour le développement futur de la transmission de puissance à haut rendement et de l'électronique haute performance, mais son mécanisme microscopique est toujours le « mystère de la couronne» de la physique de la matière condensée.
Dans la soirée du 12 août, heure de Pékin, l'équipe du professeur Yanbo Zhang du Département de physique de l'Université Fudan et ses collaborateurs ont publié leurs recherches dans nature sous le titre "Superconducting 2D cuprate with a single cuo₂ plane" et ont réussi à amincir un supraconducteur à haute température à base de cuivre pour ne contenir qu'une seule surface supraconductrice, une seule surface cuo₂.
Cette « opération limite» confirme non seulement la nature bidimensionnelle de la supraconductivité à haute température, mais trouve également des « états métalliques anormaux» exotiques et des phénomènes de criticité quantique au point critique de la transition supraconducteur - isolant, offrant une toute nouvelle plate - forme d'expérimentation quantique pour l'étude des mécanismes supraconducteurs à haute température.
Approcher les limites physiques: le passage de « double couche » à « simple couche »
Les supraconducteurs, une classe de matériaux dont la résistance est nulle à une température de transition spécifique et qui présentent une résistance magnétique complète, peuvent être largement utilisés dans le transport et le stockage d'énergie, l'imagerie médicale, les trains à lévitation magnétique, l'informatique quantique et d'autres domaines, ont une valeur importante pour la recherche scientifique et les applications technologiques.
En 1986, J. Georg Bednorz et K. Alex Müller ont découvert le phénomène de supraconductivité à haute température dans l'oxyde de cuivre de lanthane - baryum (la - Ba - Cu - o), avec des températures critiques allant jusqu'à 30 K (k étant l'unité de température thermodynamique "Kelvin", 30 K = - 243,15 ° c), ce qui a valu le prix Nobel de physique en 1987. Depuis lors, les scientifiques ont mené des recherches approfondies sur les supraconducteurs à haute température à base de cuivre et ont développé des dizaines de systèmes de matériaux. Ces supraconducteurs à haute température à base de cuivre, bien que différents en termes de composition chimique et de température critique supraconductrice, partagent tous une caractéristique commune: la supraconductivité est née d'une couche extrêmement mince d'un plan d'oxygène de cuivre bidimensionnel à l'échelle atomique.
Cependant, selon la théorie traditionnelle de la physique, dans un monde bidimensionnel, l'obtention d'un « état ordonné» tel que la supraconductivité est très instable et extrêmement vulnérable aux fluctuations thermiques. Pourquoi la supraconductivité à haute température peut - elle exister de manière stable sur une surface d'oxygène en cuivre bidimensionnel? C'est la clé pour comprendre le mécanisme supraconducteur à haute température.
Pour faire face à ce problème, la stratégie la plus directe consiste à rendre le matériau mince à l'extrême, voire à réduire son épaisseur au niveau atomique, pour observer les changements de supraconductivité. Cependant, la couche atomique d'oxyde de cuivre est extrêmement fragile, sensible à l'air et aux processus de traitement, et la teneur en oxygène est difficile à contrôler de manière stable, ce qui pose de grands défis pour la préparation et la mesure des matériaux qui conservent leurs propriétés intrinsèques.
En 2019, l'équipe de Zhang yuangbo et ses collaborateurs ont préparé une seule couche de bi2sr2cacu2o8 + δ et ont fourni la première preuve expérimentale directe que les supraconducteurs à base de cuivre à une seule couche à la limite bidimensionnelle ont les mêmes propriétés supraconductrices que les supraconducteurs à base de cuivre en bloc, révélant la nature bidimensionnelle de la Supraconductivité à haute température. Cette fois, l'équipe est allée plus loin et a réussi à produire un supraconducteur d'oxyde de cuivre bidimensionnel limite contenant une seule face de cuo₂ - une seule couche de bi2sr2cuo6 + δ (bi2201).
« pour la première fois, nous avons avancé l’épaisseur de l’oxyde de cuivre d’une double couche à une véritable structure monocouche, ce qui a permis de vérifier à la limite les propriétés supraconductrices de l’oxyde de cuivre. Les données mesurées soutiennent fortement l’idée que « la supraconductivité à haute température de l’oxyde de cuivre est un phénomène bidimensionnel puissant », fournissant des preuves expérimentales clés pour cette hypothèse à long terme », a déclaré Zhang yuangbo.
Recherche indépendante et développement pour créer un outil de recherche scientifique « régulation in situ »
Pour préparer et mesurer des plans bidimensionnels extrêmement minces à l'échelle atomique, il est nécessaire de réaliser plusieurs expériences difficiles sur des matériaux fragiles, sensibles à l'air et au processus de traitement, dont la teneur en oxygène est difficile à stabiliser et à contrôler. Face au dilemme du manque d'équipements spécialisés sur le marché, Zhang yuangbo Subject Group s'est engagé sur la voie de la recherche et du développement indépendants d'instruments.
L'équipe a terminé le clivage de l'échantillon et la préparation du dispositif dans un environnement à basse température sous atmosphère inerte, en combinaison avec le soudage à froid des microélectrodes, pour résoudre le problème difficile de la vulnérabilité de l'oxyde de cuivre monocouche à la destruction par l'air et la vapeur d'eau. Plus important encore, l'équipe a développé des techniques de régulation du dopage avec une extrême précision, permettant une régulation réversible de la teneur en oxygène.
« Nous mesurons d’un côté et régulons avec précision la teneur en oxygène des matériaux en contrôlant la concentration d’ozone et la température », a déclaré Nguyen Wei, l’un des auteurs correspondants et professeur au Département de physique de l’université de Fudan. Grâce à cette technique de « régulation in situ », l’équipe a atteint des résolutions de dopage allant jusqu’à δp ≈ 00005, ce qui lui a permis d’observer un diagramme de phase physique complet, de la phase isolante de Mott à l’ensemble du dôme supraconducteur.
Sur la base d'instruments expérimentaux de pointe et de technologies innovantes, ils ont constaté que la température de transition supraconductrice optimale d'un matériau monocouche était inférieure d'environ 10% à celle d'un bloc, ce qui montre que l'épaisseur affecte réellement la température supraconductrice. Mais dans le même temps, le matériau monocouche conserve intact les caractéristiques du système associé du matériau en bloc, ce qui suggère que les propriétés physiques de base de l'oxyde de cuivre sont encore bien présentées dans une seule face de cuo₂, bien que la réduction de l'épaisseur affecte la température de transition supraconductrice, ce qui fournit également Une vérification critique des propriétés supraconductrices à la limite bidimensionnelle.
En utilisant une régulation de haute précision des régions extrêmement sous - dopées, l'équipe a encore abaissé la température à environ 100 MK, explorant en profondeur la région critique quantique de l'isolant supraconducteur et faisant des découvertes inattendues. L'équipe a observé un phénomène particulier de criticité quantique dans la monocouche bi - 2201: à mesure que la température diminuait, le comportement à l'échelle universelle autour du point critique quantique traditionnel échouait, remplacé par son indice critique effectif qui divergeait rapidement à mesure qu'il approchait de la zone critique, présentant la singularité typique de Griffiths quantique.
Plus important encore, à la limite de température nulle, un état métallique anormal apparaît entre la supraconductivité et l'isolation, dont la résistance est saturée à une valeur finie à basse température. Cet état métallique anormal peut être obtenu soit en diminuant le dopage des trous, soit en appliquant un champ magnétique vertical. Cette découverte coïncide avec l'image du métal Bose: la supraconductivité à haute température émerge par une transition de phase quantique à partir d'un système de Bose bidimensionnel sans Gap et sans surintensité.
Cette découverte révèle non seulement des effets dimensionnels réels dans un seul plan de cuo₂, mais fournit également une plate - forme d'expérimentation bidimensionnelle hautement réglable et de qualité supérieure pour l'étude des phénomènes critiques quantiques et des états métalliques anormaux.
Continuer à "ajouter des bardeaux" dans le domaine de la supraconductivité à haute température
Ancrer les problèmes fondamentaux et prendre quelques années pour combattre les difficultés, cette exploration constante et profonde est une caractéristique distinctive de l'équipe de Zhang yuangbo. Ce résultat a non seulement poussé la supraconductivité à haute température à la limite de la véritable couche unique, a découvert de nouveaux phénomènes non observés par les précédents, mais a également jeté une base solide pour l'étude des mécanismes de supraconductivité à haute température.
« notre contribution est sans doute d’ajouter une brique au domaine. » l’équipe a déclaré que l’étude a permis, pour la première fois, d’obtenir simultanément un « système propre» et une « régulation fine» à la limite d’une surface d’oxygène de cuivre unique, ce qui équivaut à fournir une plate - forme expérimentale de « variables contrôlables» permettant aux chercheurs de suivre systématiquement le chemin de transformation complet de la supraconductivité de rien, faible à forte.
Il y a près de quarante ans que la supraconductivité à haute température a été découverte en 1986 à ce jour, le mécanisme n'a pas encore été complètement craqué, mais chaque approche des « Conditions limites», le matériau est plus mince, plus pur et plus contrôlable, est un ajout de briques qui repousse les limites de la réponse d'un pas plus loin.
Ensuite, l'équipe continuera à se concentrer sur les problèmes majeurs dans le domaine de la supraconductivité à haute température et à explorer des supraconducteurs à haute température plus performants; Les principaux défis du processus de préparation des dispositifs de matériaux et des mesures matérielles continuent de faire progresser la recherche dans des directions telles que les nouveaux matériaux quantiques bidimensionnels.
Le professeur Yangbo Zhang, le professeur Nguyen Wei du Département de physique de l'Université Fudan et le professeur xianhui Chen de l'Université chinoise des sciences et de la technologie sont les co - auteurs correspondants du document. Les unités de coopération de recherche comprennent l'Université Fudan, l'Université chinoise des sciences et de la technologie, l'Université de la Colombie - britannique, l'Université du Zhejiang, l'Université Renmin de Chine, l'Université Jiao Tong de Shanghai, l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences, l'Institut Weizmann des sciences, L'Université Tsinghua, etc. Cette étude a été soutenue par des projets et des unités tels que le programme national de recherche et développement clé du Ministère des sciences et de la technologie, le programme de découverte des disciplines fondamentales et interdisciplinaires du Ministère de l'éducation, le Programme d'exploration original du Conseil national de la Fondation des sciences naturelles, les grands projets du Ministère des sciences et de la technologie, le Conseil municipal des sciences et de la technologie de Shanghai, la Fondation scientifique New cornerstone, etc.
