Nature发文：室温超导体将如何改变科学？

Nature发文：室温超导体将如何改变科学？答案取决于应用的领域，以及假设的材料是否还具有其他关键品质。但至少在一些科学领域中，尤其是那些使用强磁场的领域，更好的超导体可能会产生巨大的影响。超导体是一种在一定温度下能够无电阻传输电流的材料，因此不会产生废热。但所有已确认的超导体都只在低温或极端压力条件下或两者兼而有之的情况下才表现出这种特性。超导相变时热容（c(v)，蓝色）和电阻率（ρ，绿色）的行为这种材料在实验室中已随处可见，因为研究人员能够使用一系列技术来降低它们的温度，尽管这会增加实验的成本和复杂性。但在日常应用中，超导体的低温要求是一道难以越过的门槛。一个极端的例子是大型强子对撞机（LargeHadronCollider，LHC），它是欧洲核子研究中心（CERN）的加速器。为了让质子在27公里的圆圈内运动，大型强子对撞机利用温度仅为1.9开尔文（-271.25ºC）的超导线圈产生强磁场。要做到这一点，首先需要一个包含96吨液氦的低温系统。这是世界上同类系统中规模最大的。欧洲核子研究中心磁体研究员、核工程师LucaBottura曾表示，“如果我们不需要极端温度，工程设计就会大大简化。”因此，能在室温下或接近室温工作的超导体将迅速彻底改变许多科学领域。但科学还没那么快到达这一目标。量子问题以量子计算机为例，这项新兴技术有望解决经典计算机无法完成的某些任务。而构建量子计算机的主要方法之一是将信息存储在超导材料环中。量子计算机这些超导材料被冷却到接近绝对零度（-273.15ºC），然后被装在昂贵的、类似于俄罗斯套娃的设备中，这种设备被称为稀释冰箱。稀释冰箱在基于超导体的量子计算机中，温度升高哪怕是零点几度，性能也会迅速下降，其原因与超导性无关。超导量子计算的共同发明人中村泰信（YasunobuNakamura）认为，量子计算对任何类型的噪声都极为敏感，而热振动则是一个主要敌人，它会产生虚假的“准粒子（quasiparticles）”。他提到，在100-150毫开尔文左右，就可以看到热激发准粒子的对抗效应。在其他情况下，实验本身可能不需要极度低温，但超导体仍需要保持比其转变为超导时（即Tc）还要低得多的温度。超导体的物理特性各不相同。但在许多应用中，尤其是在高磁场磁体中，有两个特性至关重要：临界电流和临界磁场。这是因为超导电性不但会在温度升高时丧失，而且还会在材料被推动承载超过一定量的电流或暴露在足够高的磁场中时丧失。麻省理工学院的低温系统中包裹着具有高转变温度的超导体.Credit：DavidL.Ryan/TheBostonGlobeviaGetty最重要的是，临界磁场和临界电流都与温度有关：温度越低，材料所能承受的电流和磁场就越大。因此，虽然超导体的Tc很高，但这并不意味着它可以在低于Tc的任何温度下使用。在许多应用中，超导体的性能会随着系统温度的降低而提高。幸运的是，目前发现的最好的超导体，包括一类叫做铜氧化物（或铜酸盐）超导体的超导体，只要保持足够低的温度，也能承受非常高的磁场。在现场四年前，位于佛罗里达州塔拉哈西的美国国家高磁场实验室（NationalHighMagneticFieldLaboratory，NHMFL）曾使用一种铜氧化物来获得稳定（非脉冲）磁场强度的记录。NHMFL的超导线圈能产生45.5特斯拉的磁场，但前提是它们必须保持在液氦中，即低于4.2开尔文。NHMFL首席科学家、物理学家LauraGreene说：“我们使用高-Tc超导体不是因为它们的Tc值高，而是因为它们的临界磁场高。”美国另一个国家实验室，位于新泽西州的普林斯顿等离子体物理实验室（PrincetonPlasmaPhysicsLaboratory，PPPL）的机械和电气工程师YuhuZhai说：“如果你想要一个高磁场磁体，那就在尽可能低的温度下运行它，因为那是你获得超导性真正力量的地方。”欧洲核子研究中心正在探索未来粒子对撞机的选择，该对撞机最终以比大型强子对撞机高七倍的能量粉碎质子，物理学家们希望能在这个范围内发现新的基本粒子。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机与超级质子同步加速器的地图要达到这些更高的能量，粒子必须使用更高的场或沿着更长的加速器环路进行加速，或者两者兼而有之。为了建造这样一台机器，物理学家梦想在大型强子对撞机旁边挖掘一条长达100公里的环形隧道。但即使有这么大的环形隧道，像大型强子对撞机那样的超导磁体，即带有铌钛线圈的8特斯拉怪兽也无法产生所需的磁场，估计至少需要16到18特斯拉。对此，Bottura认为，“在这一点上，我们显然必须转向其他材料。”目前的高Tc超导体可以实现这一目标，但可能需要将其保持在液氦温度下。中国提出的类似加速器：即环形电子-正电子对撞机，也将使用高Tc超导磁体。北京高能物理研究所所长王贻芳表示，他们考虑高温超导材料已经有一段时间了，主要是铜酸盐和铁基材料。临界电流然而，铜氧化物的超导体也有其他缺点：它们是脆性的陶瓷材料，生产成本高昂，也很难将其制造为电缆。此外，王贻芳也提到，这种材料的临界电流也太低。而另一类铁基超导体原则上性能更好，成本也只有氧化铜的一半。Bottura和其他人正在研究一种全新加速器的可行性。通过用μ介子（类似于电子但质量大207倍的粒子）取代质子，对撞机可以研究与100公里长的质子-质子对撞机相同类型的物理学。但研究对撞机的环要小得多，甚至可以放入现有的大型强子对撞机隧道中，让μ介子绕一圈并不涉及强度特别高的磁场。但问题是产生具有适当特性的μ介子束，可能需要高达40特斯拉的磁铁。在这种强度下，问题不再是超导体，而是如何保持线圈的位置，因为电磁线圈内的电流往往会将磁铁推开。而在40特斯拉的条件下，即使是最坚固的钢材也无法承受机械应力。相反，磁体可能需要使用碳纤维等更坚固的材料。(NHMFL磁体对强度的要求没有那么严格，因为它需要在只有几厘米宽的空间内产生高磁场）。因此，在质子对撞机和μ介子对撞机中，超导体将会发挥巨大作用，但也可能出现其他工程挑战。融合之旅然而，在另一类旨在利用核聚变能的机器中，结构强度已经成为了严重的制约因素。长期以来，一种既定的聚变方法是使用排列成圆环形状，也被称为托卡马克（tokamak）的磁体来限制等离子体，将等离子体加热到数百万度，将氢的各种同位素碰撞在一起。世界上最大的实验性托卡马克名为ITER，正在法国南部建设，它将使用大型液氦来冷却磁体并产生接近12特斯拉的磁场。但根据Zhai的说法，工业和公共资助的实验室都在努力设计基于高Tc超导体的托卡马克磁体。原因有很多，如更高的磁场可能会大幅提高聚变反应堆燃烧燃料的速率，从而在原则上提高可产生的能量，但从聚变中提取能量的许多关键步骤尚未得到证明。工业努力增加高Tc磁性材料产量的一个积极结果是让它们的成本降低了，但它们仍比铌-钛材料昂贵得多。此外，Zhai还表示，托卡马克最终应该放弃液氦冷却。一方面是因为冷却系统复杂难建，另一方面是氦作为稀缺资源，难以建造数百个使用液氦的ITER大小的反应堆。Greene认为，寻找更好的超导材料是一项高风险的任务，迄今为止成功的案例寥寥无几。尽管如此，她还是说到：“这是一项艰苦的工作，也是一项令人兴奋的、正在改变世界的工作。”参考资料：https://www.nature.com/articles/d41586-023-02681-8...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388387.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388387.htm

新改良的多能量X射线探测器具有高灵敏度和可打印性质

新改良的多能量X射线探测器具有高灵敏度和可打印性质辐射输送的能量被X射线探测器转换成视觉或电子形式，大多数X射线探测器在硬或软两种能量水平中的一种运行。那些具有高光子能量--超过5至10千电子伏特（keV）--被称为"硬X射线"，并被广泛用于医学放射学，因为它们可以穿透像骨骼这样的致密材料。"软X射线"通常具有低于1千伏的能量水平，用于对组织和细胞等生物物质进行成像。有时，X射线探测器必须跨越这两个能量级别进行工作，例如在寻找乳腺组织中的肿瘤时。现有的由硅和硒制成的探测器可以在硬窗和软窗中工作，但它们的能量灵敏度和空间分辨率--区分附近两个物体的能力是有限的。由澳大利亚墨尔本莫纳什大学的研究人员领导的一个团队，利用通常用于下一代太阳能设备相关的技术，开发了一种高灵敏度、多能量的X射线探测器。研究人员发现，金属卤化物过氧化物是硅和硒的一种有效、通用的替代物，因为它们可以在X射线束穿过物质时管理其强度，这一过程称为X射线衰减。过氧化物是一种天然存在的矿物，其晶体结构与钙钛矿相同。它以前被用于仅限于小规模的硬X射线检测的研究中，但这是第一次使用过氧化钙来测试软X射线检测。在目前的研究中，研究人员通过在一个二极管装置内打印一层过氧化物薄膜来创建X射线探测器。他们发现，基于过氧化物的探测器在从0.1千伏到几十千伏的广泛能量范围内运行，这比现有的多能量X射线探测器要宽得多。由于这些探测器是作为薄膜制成的，它们可以与柔性基底结合，以产生一系列的设备形状和尺寸。柔性X射线探测器可用于符合圆形的身体部位，或被塑造成适合狭窄的空间。"这项工作展示了过氧化物有一个自然的延伸到印刷的X射线探测器，"该研究的通讯作者JacekJasieniak说。"它们的制造成本更低，而且还可能涉及修改薄膜的形式因素，在那里你需要固有的灵活性。"研究人员预见到这些新开发的X射线探测器在现实世界中有广泛的用途。该研究的主要作者BabarShabbir说："这些基于过氧化物的探测器可以提供快速反应时间，并提供高灵敏度，以实现实时检测和成像的复杂目的，包括疾病诊断、检测爆炸物和识别食品污染。"该研究报告发表在《先进材料》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1353117.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1353117.htm

超导技术的突破：首次展示成对电子之间的自旋关联性

超导技术的突破：首次展示成对电子之间的自旋关联性这种奇怪的行为是阿尔伯特-爱因斯坦将纠缠描述为"远距离的幽灵行动"的原因。虽然它很奇怪，但它是一个重要的现象。事实上，关于光粒子（光子）之间的纠缠的研究还被授予今年的诺贝尔物理学奖。两个电子也可以纠缠在一起--例如在它们的自旋上。在超导体中，电子形成所谓的库珀对，负责产生无损的电流，其中的各个自旋是纠缠在一起的。几年来，瑞士纳米科学研究所和巴塞尔大学物理系的研究人员已经能够从超导体中提取电子对，并在空间上分离这两个电子。这是通过两个量子点--平行连接的纳米电子结构实现的，每个量子点只允许单一电子通过。电子离开（传统）超导体（S）时只能是成对的，而且只能有相反的自旋（箭头向上或向下，红色或蓝色）。如果两个电子的路径都被平行自旋过滤器（这里为自旋向下（蓝色））阻断，原则上自旋向上（红色）的单个电子可以出去，但来自超导体的成对电子被阻断，这在理想情况下会抑制两种电流。资料来源：巴塞尔大学物理系，ScixelChristianSchönenberger教授和AndreasBaumgartner博士的团队与来自IstitutoNanoscienz-CNR和比萨ScuolaNormaleSuperiore的LuciaSorba教授领导的研究人员合作，现在已经能够在实验中早已被预期的理论：来自超导体的电子总是以一对相反的自旋出现。他们今天（11月23日）在科学杂志《自然》上报告了他们的发现。使用一个创新的实验装置，物理学家们能够测量出当一个电子的自旋向下时，另一个电子的自旋是向上的，反之亦然。项目负责人安德烈亚斯-鲍姆加特纳解释说："我们因此在实验中证明了成对电子的自旋之间的负相关关系。"研究人员通过使用他们在实验室中开发的自旋过滤器实现了这一点。利用微小的磁铁，他们在两个量子点中的每一个产生了单独可调的磁场，将库珀对电子分开。由于自旋也决定了电子的磁矩，所以每次只允许一种特定类型的自旋通过。与平行自旋过滤器相反，对于反平行自旋过滤器，电子对被允许离开超导体，这可以被检测为在两个路径上的电流明显增强。资料来源：巴塞尔大学物理系，Scixel"我们可以调整这两个量子点，以便主要让具有某种自旋的电子通过它们，"第一作者ArunavBordoloi博士解释说。"例如，自旋向上的电子通过一个量子点，自旋向下的电子通过另一个量子点，或者反之亦然。如果两个量子点都被设定为只通过相同的自旋，那么两个量子点中的电流就会减少，尽管单个电子很可能通过一个量子点。""通过这种方法，我们能够首次从超导体中检测到电子自旋之间的这种负相关关系，"AndreasBaumgartner总结道。"我们的实验是第一步，但还不是电子自旋纠缠的明确证明，因为我们不能任意设置自旋过滤器的方向，但我们正在努力。"这项研究最近发表在《自然》杂志上，被认为是朝着进一步实验调查量子力学现象迈出的重要一步，例如固体中粒子的纠缠，这也是量子计算机的一个关键组成部分。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333623.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333623.htm

磁性材料高压超导机理研究取得新进展

磁性材料高压超导机理研究取得新进展科学家们努力在实验室中实现高压条件，研究材料在高压下的物理性质，试图发现新物态、新物性、新机理。中山大学物理学院王猛教授课题组自2017年开始搭建金刚石对顶砧压腔高压实验平台，目前已经可以实现百万大气压强，配合同步辐射光源，综合物性测量系统，低温电学测试设备，拉曼光谱仪等手段，可以进行高压下的晶体结构、电输运、直流磁化率、交流磁化率、拉曼光谱测量实验。2020年王猛教授课题组生长了一种新的庞磁阻半导体材料EuTe2单晶样品。通过改变磁场大小，EuTe2单晶样品电阻值可以改变100万倍，通过变化磁场角度电阻值变化也可以达到100万倍，具有超高的磁阻（MR）和磁阻各向异性（AMR）。韩国一研究团队2021年在Nature杂志发文认为EuTe2在发现时具有最高的MR和AMR。磁阻效应是目前计算机高密度读出磁头和磁存储元件的物理基础，曾在2007年获得诺贝尔物理学奖。结合中子衍射等实验及理论分析，王猛教授研究团队最终确定了磁阻机理为自旋结构驱动的电子能带劈裂，导致电子带隙关闭形成较高的磁阻效应。相关成果在美国物理学会杂志发表PhysicalReviewMaterials4,013405(2020)。图1.EuTe2压力下的电阻测量EuTe2为小带隙磁性半导体材料，易于被压力调控。王猛教授课题组利用金刚石对顶砧压腔实验技术对EuTe2进行了高压下的物性研究，发现压力超过5GPa时出现超导电性、在16GPa时EuTe2发生了结构相变，并且在结构相变后依然超导。Eu具有很强的磁性，一般不显示超导电性。然而，在EuTe2中，结构相变前超导电性需要22T的磁场才可以破坏超导电性，远超过常规超导机理估算的临界磁场上限。这个结果引发了一个重要科学问题，EuTe2中高压下发现的超导电性是由于电子和声子耦合导致的常规超导还是其他机制导致的非常规超导？经过实验和理论的系统研究，研究团队确认超过理论值的上临界磁场是由于+2价Eu离子的内建磁场导致。磁场会改变磁结构，而不同磁结构会在样品中形成不同内建磁场。超导电子对感受到的磁场是外加磁场与内建磁场共同作用的结果。当内建磁场与外加磁场方向相反时，外加磁场可以远超过常规超导机理预言的理论值。这正是由Jaccarino和Peter两位科学家在1962年提出的一种磁与超导电子的作用机制，然而在实际材料中较少被观测到。在高压相变后，EuTe2成为非磁性材料，其超导上临界磁场也明显降低，完全符合理论预期。本项工作确定的物理机制可以用来解释一批具有较高上临界磁场但同时具有大磁矩的磁性超导材料。相关成果在近期的Nature出版社旗下期刊发表CommunicationsPhysics6,40(2023)。图2.EuTe2在7.0GPa压力下不同磁性状态对应的超导及临界磁场以上工作第一作者分别为王猛教授团队硕士研究生殷俊杰同学以及孙华蕾副研究员，通讯作者为王猛教授。参与工作的人员包括中山大学物理学院姚道新教授及团队成员、沈冰副教授、侯玉升副教授、王伟良副教授、张云蔚副教授，中山大学化学学院李满荣教授及团队成员，中国人民大学程鹏副教授、张红霞副教授，中国原子能研究院郝丽杰研究员，美国莱斯大学戴鹏程教授等。王猛教授团队开展以上工作得到中山大学百人计划二期项目、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重点项目、广东省磁电物性分析与器件重点实验室等支持。论文链接：https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.4.013405https://www.nature.com/articles/s42005-023-01155-7...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350831.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350831.htm

通用原子公司正在研制小型商用粒子加速器

通用原子公司正在研制小型商用粒子加速器杰斐逊实验室准备新紧凑型加速器腔体的团队成员一个由公共和私营部门研究人员组成的团队利用现成的工业部件，制造出了一个小型粒子加速器原型，这可能会对该技术的商业应用产生重大影响。在这种思想的驱使下，来自美国能源部托马斯-杰斐逊国家加速器设施和能源与国防公司通用原子公司等一系列机构的科学家们开始寻找制造更经济、更紧凑的电子束粒子加速器的方法。得益于两项新的创新，他们取得了成功。获得转让其中第一个突破是加速器腔体的设计方式。在创建原型的过程中，团队成员知道他们想把重点放在超导射频（SRF）粒子加速上，就像杰斐逊实验室连续电子束加速器设备中的系统一样。这种加速器通常内衬一种叫做铌的金属，这种金属在接近绝对零度时具有超导性。正在通用原子公司组装的原型腔体图/通用原子能公司在新的原型中，研究小组首先使用铌，然后在其上添加了一层铌锡合金。这意味着腔体可以在更高的温度下工作，无需进行如此强烈的超强冷却。接下来，科学家们首先在腔室外部覆盖了一层2毫米（0.08英寸）的覆铜板，然后又覆盖了一层更厚的5毫米（0.2英寸）覆铜板。这样的设计使得腔室能够更容易地通过传导过程将粒子加速过程中产生的热量传递到室外。杰斐逊实验室的科学家Gianluigi"Gigi"Ciovati是该项目的负责人，他说："基本上是通过冷喷和电镀相结合的方法，在空腔外部建造了一个铜热毯。这为内表面产生的热量提供了一条高导热路径，使热量转移到外表面，然后流向低温冷却器"。得益于这种基于传导的设计，该系统可以在4开尔文（-452°F）的温度下运行，是大型系统所需温度的两倍。制造加速器的铜结构图/通用原子能公司保持冷静这就引出了第二项创新：低温冷却器。在大型粒子加速器中，系统通常使用液氦低温设备进行冷却。这种设备不仅造价昂贵，而且维护费用也很高。在新原型中，研究小组决定使用现成的低温冷却器，这种制冷系统主要用于保持许多核磁共振成像仪中超导磁体的冷却。低温冷却器的"冷头"朝向加速器腔体，结果发现它们能成功地将新的传导腔体冷却到所需的4开尔文。Ciovati说："突破性技术之一是能够利用这些紧凑型商用设备通过传导对空腔进行冷却，而不是使用大型、复杂和昂贵的低温冷却设备。我们正在研究的系统不需要液氦低温设备。"支架车上的HTC横截面效果图图/通用原子能公司测试通用原子公司在一个被称为水平低温恒温器的系统中对新设计进行了测试。通用原子公司磁聚变能源（MFE）部门的科学家德鲁-帕卡德（DrewPackard）说："首先，将低温恒温器中的空气抽空，然后将空腔冷却到超导阈值以下，并用小射频信号进行激励，以展示电加速梯度。通过诊断，我们证明传导冷却腔体的性能达到了与之前在杰斐逊实验室进行的液氦测试相同的规格。"研究人员说，事实上，原型机产生的峰值表面磁场达到了50毫特斯拉，这是迄今为止类似装置产生的最高磁场。研究小组表示，这证明其新型紧凑型加速器可以产生增益为100万电子伏特（MeV）的电子，因此具有商业可行性。例如，这种系统可以帮助生产核医学用同位素，或帮助净化环境。"电子束在各种商业应用中都非常有用，"帕卡德说。"这种紧凑型超导加速器技术在环境修复方面具有相当大的潜力，水净化就是一个例子。未经处理的水中可能含有不安全浓度的化学品，如药品或全氟辛烷磺酸，以及有害病原体，如大肠杆菌或沙门氏菌。电子束能非常有效地撕裂复杂分子和有机物，并将其分解成对人类健康和环境威胁较小的基本粒子。"该团队表示，现在将探索如何增强该系统，使其电子束能够更深入地穿透材料，同时还将寻找在其上添加模块的方法，使其性能更加出色。描述该系统的研究成果已发表在《物理评论加速器与光束》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422115.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422115.htm

最具希望高温超导二极管或出现 可为量子计算等新兴行业提供动力

最具希望高温超导二极管或出现可为量子计算等新兴行业提供动力据科技日报，几十年来，超导体一直是物理学界研究的热点。但这些允许电子完美无损流动的材料，通常只在非常低的温度下（比绝对零度高几度）才表现出这种量子力学特性。美国哈佛大学研究团队展示了一种新策略，可制造和操纵铜酸盐高温超导体，为在以前无法获得的材料中设计新的超导形式扫清了道路。使用一种独特的低温器件制造方法，研究团队在最新一期《科学》杂志上报告了世界上第一个有希望的高温超导二极管。其本质是一种使电流单向流动的开关，由薄的铜酸盐晶体制成。从理论上讲，这样的设备可为量子计算等新兴行业提供动力。